DE10142512B4 - Elektrische Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Abstract

Elektrische Heizvorrichtung vorzugsweise für Kraftfahrzeuge,
mit einem von Luft durchströmten Rahmen (3), der mehrere in Querrichtung des Rahmens nebeneinanderliegende und sich in Längsrichtung des Rahmens erstreckende Heizlamellen (4) haltert,
wobei als PTC-Elemente ausgebildete Heizwiderstände so zwischen den Heizlamellen (4) angeordnet sind, dass ein Heizwiderstand mit zwei benachbarten Heizlamellen (4) wärmeleitend verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rahmen (3) einen in Längsrichtung verlaufenden Temperaturgradienten ausbildet, indem die Heizlamellen (4) so ausgebildet sind, dass der Rahmen (3) zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlichem Wärmeübergang aufweist, indem Heizlamellen (4) kürzer wie die Längserstreckung des Rahmens (3) ausgebildet sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung vorzugsweise für Kraftfahrzeuge nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
• Eine solche ist aus der DE 199 33 013 A1 bekannt. Dort ist ein PTC Heizregister gezeigt, das mehrere in Reihe oder parallel angeordnete PTC-Elemente aufweist, die voneinander unabhängige Heizzonen bilden.
• In der DE 197 38 318 A1 ist eine elektrische Heizeinrichtung für Kraftfahrzeuge gezeigt, die einen in einem Rahmen aufgenommenen Heizblock aufweist.
• Üblicherweise erfolgt die Beheizung des Innenraums eines Kraftfahrzeugs mittels der Abwärme des Antriebsaggregats. In der Praxis wird meist die Wärme des Kühlwassers der Brennkraftmaschine über einen Wärmetauscher an den Innenraum abgegeben. Diese Wärme steht jedoch erst nach einer bestimmten Betriebsdauer zur Verfügung, so dass insbesondere in der kalten Jahreszeit ein Komfort- und Sicherheitsverlust eintritt.
• Die EP 0 937 595 A2 beschreibt einen Wärmetauscher, der zusätzlich elektrisch beheizbar ist. Dadurch wird eine schnellere Erwärmung bei Kaltstart erreicht. Jedoch muss hier immer noch zuerst ein Teil des Kühlwassers und der Wärmetauscher erwärmt werden um gewisse Heizwirkung zu erzielen, so dass die Erwärmung des Innenraums ebenfalls erst mit einer gewissen Verzögerung eintritt.
• Die DE 42 13 510 C1 zeigt eine elektrische Zusatzheizung für Kraftfahrzeuge, die an die Luftaustrittsöffnung eines Luftkanals anbringbar ist. Bei mehreren im Innenraum verteilt angeordneten Luftaustrittsöffnungen bedeutet dies aber einen sehr hohen konstruktiven Aufwand.
• Aus der DE 44 34 613 A1 ist es bekannt, eine elektrische Zusatzheizung so anzuordnen, dass die Zusatzheizung im Luftstrom nach dem Wärmetauscher angeordnet ist. Die dort beschriebene Zusatzheizung weist einen Rahmen mit mehreren parallel angeordneten Wellrippen auf, die von PTC-Elementen beheizt werden. So wird relativ rasch nach dem Start gewisse Wärme zum Heizen des Innenraums zur Verfügung gestellt, bis das Kühlwasser den Wärmetauscher aufgewärmt hat und die zum Heizen notwendige Wärmemenge liefert.
• Um ein als angenehm empfundenes Innenraumklima zu schaffen, ist eine Temperaturverteilung im Innenraum wünschenswert, die einen warmen Fußraum und einen kühleren Kopfbereich schafft. Aus der DE 44 22 120 ist eine Heiz- und oder Klimaanlage bekannt, die einen stromabwärts des herkömmlichen Wärmetauscher liegenden Luftmischraum mit diversen Luftmischklappen aufweist, von dem Luftmischkanäle abzweigen. Zu dem Luftmischraum führen zusätzlich Kaltluftkanäle, so dass über die Luftmischklappen eine entsprechende Temperaturverteilung für die abzweigenden Luftkanäle einstellbar ist, so dass der Innenraum komfortabel beheizbar ist. Nachteilig ist hier, dass die Heizwirkung erst relativ spät nach Kaltstart einsetzt und der Luftmischraum mit den Luftmischklappen und zusätzlichen Luftkanälen konstruktiv aufwendig und großvolumig ist.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin eine Heizung zu entwickeln, die jederzeit eine komfortable Beheizung des Innenraums bei konstruktiv einfachem, vorzugsweise kompaktem Aufbau ermöglicht und insbesondere geringen Energieverbrauch aufweist.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Heizvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
• Die elektrische Heizung weist einen Rahmen auf, der einen gerichteten Temperaturgradienten ausbildet. Der Rahmen ist im Luftstrom angeordnet und erstreckt sich im wesentlichen in Quer- und Längsrichtung senkrecht zu dem Luftstrom, so dass der Rahmen vorzugsweise rechtwinklig von der Luft angeströmt bzw. durchströmt wird. Die Heizlamellen sind so angeordnet bzw. in dem Rahmen gehaltert, dass der Rahmen zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlichem Wärmeübergang aufweist. So wird die Luft, die den Rahmen durchströmt in den Bereichen mit unterschiedlichem Wärmeübergang unterschiedlich aufgeheizt und der Rahmen bildet einen Temperaturgradienten aus, der von dem einen wärmeren Bereich zu dem anderen kälteren Bereich hin gerichtet, vorzugsweise in Längsrichtung des Rahmens gerichtet ist. So wird eine gezielte Temperaturschichtung des Luftstroms erzielt.
• Es hat sich gezeigt, dass für eine komfortable Beheizung des Innenraumes ein solche Schichtung der Temperatur erforderlich ist, die eine stärkere Erwärmung im Fußraum als im Kopfbereich bewirkt. Durch die konstruktive Ausgestaltung des Rahmens wird diese Schichtung schon bei der Erwärmung des Luftstroms erreicht und somit die Heizenergie optimal genutzt, d. h. es wird gezielt dort geheizt, wo der meiste Wärmebedarf ist und dort gespart, wo eine geringere Heizleistung gewünscht ist. Damit ist ein Einsatz der Erfindung auch in solchen Fahrzeugen wirtschaftlich möglich, die keine oder nur geringe Abwärme zum Heizen zur Verfügung stellen, also insbesondere Fahrzeuge mit Elektroantrieb oder Brennstoffzellenantrieb.
• Da die Temperaturschichtung des Luftstroms schon im Rahmen erfolgt, ist eine konstruktiv aufwendige und voluminöse Vorrichtung zur Mischung unterschiedlich temperierter Luft im Luftverteilraum weitgehend überflüssig, so dass die elektrische Heizvorrichtung sehr kompakt baut und geringes Bauvolumen aufweist.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Rahmen in einem Luftverteilkasten angeordnet werden, so dass der Luftstrom stromabwärts des Rahmens auf mehrere getrennte Luftkanäle aufgeteilt wird. Also wird die Luft unterschiedlich temperiert auf die einzelnen Kanäle aufgeteilt. Vorzugsweise wird der Rahmen so angeordnet, dass der Bereich mit besserem Wärmeübergang unten und der Bereich mit schlechterem Wärmeübergang oben in dem Luftverteilkasten angeordnet ist, wobei die kältere Luft des oberen Bereichs in die Luftkanäle für den Kopfbereich und die wärmere Luft des unteren Bereichs in die Luftkanäle für den Fußraum geleitet wird.
• Der Querschnitt des Rahmens ist an den Querschnitt des Luftkanals und/oder Luftverteilkastens anpassbar. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Rahmen einen rechteckigen Querschnitt aufweist. In anderen Ausführungen der Erfindung kann der Rahmen auch anderen Querschnitt, insbesondere runden oder mehreckigen Querschnitt aufweisen. Insbesondere ist der Querschnitt des Rahmens komplementär zu dem Querschnitt des Luftkanals oder Luftverteilkastens ausgebildet, so dass der Rahmen dicht in den Luftverteilkasten bzw. den Luftkanal einsetzbar ist.
• In einer Ausführung ist vorgesehen, die elektrische Heizvorrichtung als alleinige Heizung in einem Kraftfahrzeug einzusetzen, wobei eine Verwendung sich insbesondere bei Elektro- oder Brennstoffzellenfahrzeugen anbietet. Des weiteren ist die elektrische Heizvorrichtung als zusätzliche Heizung unterstützend zu einer herkömmlichen Heizungs- und/oder Klimaanlage vorgesehen, vor allem bei solchen Fahrzeugen, die eine geringe Abwärme zum Heizen zur Verfügung stellen und/oder nur wenig Bauraum aufweisen.
• Weitere Ausführungen und Merkmale der Erfindung sind in den Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
• 1: eine schematische Ansicht einer Heiz- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer Heizvorrichtung,
• 2: eine schematische Ansicht der elektrischen Heizvorrichtung,
• 3: eine Ansicht des Rahmens der elektrischen Heizvorrichtung und
• 4: eine Ansicht einer zu 3 alternativen Ausführung des Rahmens.
• 1 stellt eine Heiz- und/oder Klimaanlage 11 im Längsschnitt dar. Die Klimaanlage weist ein Gebläse 21 auf, das an dem Eingang des Luftführungskastens 2, auch Klimakasten genannt, angeordnet ist. Im Klimakasten 2 sind ein in einem Kältemittelkreislauf eingebundener Verdampfer 24 und ein in einem Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine eingebundener Wärmetauscher 25 in der genannten Reihenfolge stromabwärts angeordnet. Ferner ist stromabwärts des Wärmetauschers 25 der Rahmen 3 der elektrischen Heizvorrichtung angeordnet. Dem Rahmen 3 ist ein Luftverteiler 26 unmittelbar anschließend nachgeordnet. Von dem Luftverteiler zweigen Luftkanäle ab. Dargestellt ist hier ein oberer Luftkanal 22, der zu der oberen Heizebene in der Fahrgastzelle führt, und ein unterer Luftkanal 23, der zu der unteren Heizebene in der Fahrgastzelle, insbesondere zu den Fußraumdüsen führt.
• Im normalen Betrieb wird die vom Gebläse 21 wahlweise aus der Fahrzeugumgebung angesaugte Frischluft oder aus der Fahrgastzelle angesaugte Umluft im Verdampfer 24 gekühlt und entfeuchtet und im Wärmetauscher 25, der von dem heißen Kühlwasser der Brennkraftmaschine durchströmt wird, erwärmt. Dem Wärmetauscher nachgeschaltet ist der Rahmen 3, der die Luft unterstützend zu dem Wärmetauscher erwärmt und eine Temperaturschichtung des Luftstromes bewirkt. Die so konditionierte Luft wird über den Luftverteiler 26 auf die einzelnen Luftaustrittsdüsen im Fahrzeug verteilt.
• Der Rahmen 3 ist so ausgebildet, dass die Luft an der unteren Seite des Luftverteilers 26 stärker erwärmt wird als an der oberen Seite. Somit gelangt wärmere Luft in den unteren Luftkanal bzw. die unteren Luftkanäle 23 und somit weiter in den Fußraum des Fahrzeuginnenraumes. Die kältere Luft wird über den oberen Luftkanal bzw. die oberen Luftkanäle 22 zu der Mittelebene bzw. zu dem oberen Bereich der Fahrgastzelle geführt. Auf diese Art und Weise wird eine komfortable und energiesparende Erwärmung der Fahrgastzelle erreicht, indem die Heizenergie zum größeren Teil für die Erwärmung des Fußraumes eingesetzt wird und damit ein den Insassen ein angenehmes Klima geschaffen wird.
• Bei Kaltstartbetrieb wird der Wärmetauscher 25 nicht von erwärmtem Kühlwasser durchströmt, und liefert also keine Heizenergie. Der elektrisch über Heizwiderstände 5 beheizte Rahmen 3 weist eine geringe Wärmekapazität und somit eine kurze Anheizzeit auf. Der Rahmen beheizt also die Luft ohne nennenswerte Verzögerung schon kurz nach dem Start des Fahrzeugs. Bei Kaltstart erwärmt also vornehmlich der Rahmen 3 die Luft, wobei die wärmste Luft den unteren Luftkanälen 23 zugeleitet wir. In diesem unteren Bereich des Luftverteilers zweigen die Luftkanäle zu den Defrosterdüsen ab, so dass die Scheiben sehr schnell beheizt werden um eine klare, beschlagsfreie Sicht zu gewähren.
• Die 2 zeigt die elektrische Heizvorrichtung 1, wie sie z. B. in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen verwendet werden kann. Der Aufbau der elektrischen Heizvorrichtung 1 ist weitgehend übereinstimmend mit dem unter 1 beschriebenen Aufbau der Heiz- und/oder Klimaanlage 11 mit dem Unterschied, dass bei der in 2 dargestellten elektrischen Heizvorrichtung 1 der elektrisch beheizte Rahmen 3 als einzige Wärmequelle ausgebildet ist. Zur zusätzlichen Klimatisierung des Innenraumes kann stromaufwärts zu dem Rahmen 3 auch zusätzlich ein Verdampfer vorgesehen sein, der in 2 jedoch nicht dargestellt ist.
• Der Aufbau der in den 1 und 2 beschriebenen elektrischen Heizvorrichtung ist sehr kompakt. Die Luft wird von dem Rahmen 3 entsprechend geschichtet temperiert, so dass aufwendige Vorrichtungen zur Mischung von unterschiedlich temperierten Luftströmen entfallen oder zumindest vereinfacht werden können.
• Der Aufbau des Rahmens 3 ist in 3 dargestellt. Er weist ein umlaufendes Profil 31 auf, das mehrere Heizelemente 4 haltert und aus Metall insbesondere Aluminium ausgebildet ist. Das Profil 31 weist horizontal verlaufende Profilstücke 32 und vertikal verlaufende Profilstücke 33 auf, die kostengünstig als ablängbare Strangprofile ausgebildet sind. Die vertikalen Profilstücke 33 verlaufen in Längsrichtung des Rahmens, parallel zu den Heizelementen und schließen den Rahmen 3 seitlich ab. Die horizontalen Profilstücke 32 verlaufen in Querrichtung des Rahmens, rechtwinklig zu den vertikalen Profilstücken 33 Der dargestellt Rahmen 3 weist eine rechteckige Form auf, es sind jedoch auch andere Formen, insbesondere runde oder mehreckige Formen vorgesehen. Die Form des Rahmens 3 ist komplementär zu der Form des Klimakastens 2 ausgebildet, so dass der Rahmen 3 in dem Klimakasten 2 dicht schließend angeordnet ist.
• In dem Rahmen sind die Heizelemente nebeneinanderliegend parallel zueinander angeordnet. Zwischen den Heizelementen befinden sich mehrere Heizwiderstände 5. Diese sind in thermischem Kontakt mit den angrenzenden Heizelementen 4 und werden elektrisch beheizt. Die Heizwiderstände sind als sogenannte PTC-Elemente ausgebildet. PTC-Elemente sind ohmesche Widerstände, die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Das bedeutet, dass der ohmsche Widerstand mit höherer Temperatur zunimmt. Dieser Effekt bedingt eine Selbstregelung der Heizleistung, da bei niederer Temperatur der Widerstand der PTC-Elemente gering ist und somit ein hoher Strom fließt. Steigt die Temperatur an, erhöht sich der ohmsche Widerstand, so dass der Stromfluss und somit die Heizleistung verringert wird.
• Die Heizelemente 4 sind stabförmig ausgebildet und weisen zwei parallel verlaufende Bleche 42 auf. Die Bleche weisen nahezu gleiche Erstreckung wie die Längserstreckung des Rahmens 3 auf und werden von dem umlaufenden Profil 31 gehaltert, indem die Bleche 42 an ihrem oberen bzw. unteren Ende mit den horizontalen Profilstücken 32 verbunden sind. Zwischen den Blechen sind Lamellen in Form von Wellrippen 41 angeordnet, die mit den senkrecht verlaufenden Blechen 42 fest verbunden sind. Die Wellrippen 41 weisen eine kürzere Erstreckung als die vertikalen Bleche 42 auf und sind so zwischen den Blechen 42 angeordnet, dass sie auf der unteren Seite des Rahmens bündig mit dem horizontal verlaufenden Profilteil 32 abschließen. Auf der oberen Seite des Rahmens 3 weisen die Heizelemente 4 einen Abschnitt ohne Kühlrippen auf, der frei durchströmbar ist. Dieser obere Bereich weist daher einen reduzierten Wärmeübergang auf. Das Verhältnis zwischen der Fläche des oberen und des unteren Bereiches, bestimmt die Steigung des Temperaturgradienten, der sich entlang der Heizelemente 4 ausbildet und somit die Temperaturdifferenz zwischen den oberen und den unteren Luftkanälen. Das für ein Fahrzeug optimale Verhältnis der Flächen ist durch Simulation oder über Versuche einfach zu ermitteln.
• Die 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Rahmens 3, bei der die Wirkflächen der Heizelemente 4 unterschiedliche Länge aufweisen. Der prinzipielle Aufbau des Rahmens ist identisch mit der bei 3 beschriebenen Darstellung. Ein Teil der Heizelemente weist Wellrippen auf, die sich über die gesamte Länge der Seitenbleche 42 erstrecken, also zu beiden Seiten des Rahmens 3 bündig mit dem Profil 31 abschließen. Diese Heizelemente sind alternierend zu solchen Heizelementen angeordnet, deren Wellrippen eine kürzere Erstreckung aufweisen und deren eines Ende bündig mit dem unteren Profil 32 abschließt, so dass deren oberes Ende wiederum einen Freiraum lässt, der vom Ende der Wellrippen bis zu dem Profil 32 reicht. Also weist der Rahmen 3 einen oberen Bereich mit reduziertem Wärmeübergang und einen unteren Bereich mit gutem Wärmeübergang auf.
• Um eine feinere Abstufung der Temperaturschichtung zu erreichen sind auch Ausführungen mit solchen Heizelementen vorgesehen, deren Wirkfläche feinere Längenabstufung aufweisen. So sind Heizelemente vorgesehen, die drei oder vier oder mehr Abstufungen in der Länge ihrer Wirkflächen aufweisen, so dass der Rahmen demgemäss drei oder vier oder mehr Bereiche mit unterschiedlichem Wärmeübergang aufweist.

Claims (8)

1. Elektrische Heizvorrichtung vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, mit einem von Luft durchströmten Rahmen (3), der mehrere in Querrichtung des Rahmens nebeneinanderliegende und sich in Längsrichtung des Rahmens erstreckende Heizlamellen (4) haltert, wobei als PTC-Elemente ausgebildete Heizwiderstände so zwischen den Heizlamellen (4) angeordnet sind, dass ein Heizwiderstand mit zwei benachbarten Heizlamellen (4) wärmeleitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (3) einen in Längsrichtung verlaufenden Temperaturgradienten ausbildet, indem die Heizlamellen (4) so ausgebildet sind, dass der Rahmen (3) zumindest zwei Bereiche mit unterschiedlichem Wärmeübergang aufweist, indem Heizlamellen (4) kürzer wie die Längserstreckung des Rahmens (3) ausgebildet sind.
2. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizlamellen (4) mit ihrem ersten Ende an einer Seite des Rahmens (3) unmittelbar an den Rahmen bündig anschließend oder in den Rahmen eingreifend gehaltert sind und mit ihrem zweiten Ende an der anderen Seite des Rahmens mit Abstand zu dem Rahmen angeordnet sind, so dass dieses zweite Ende des Rahmens einen Bereich aufweist, der von Luft frei durchströmbar ist.
3. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Heizlamellen (4) kürzer und der andere Teil genau so lang wie die Längserstreckung des Rahmens (3) ausgebildet sind, wobei abwechselnd eine kurze Heizlamelle neben einer langen Heizlamelle angeordnet ist und die Heizlamellen (4) mit ihrem ersten Ende an einer Seite des Rahmens (3) unmittelbar an den Rahmen bündig anschließend oder in den Rahmen eingreifend gehaltert sind und das zweite Ende der kurzen Heizlamellen mit Abstand zur zweiten Seite des Rahmens angeordnet ist, so dass die zweite Seite des Rahmens einen Bereich aufweist in dem abwechselnd von Luft frei durchströmbare Abschnitte und Abschnitte mit Heizlamellen nebeneinander liegend angeordnet sind.
4. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwiderstände (5) gleichmäßig über den Querschnitt des Rahmens (3) verteilt angeordnet sind.
5. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (3) so in einem Luftkanal (22) oder einem Luftverteilerkasten (26) angeordnet ist, dass die Längserstreckung des Rahmens vertikal und die Quererstreckung horizontal verläuft.
6. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (3) im wesentlichen gleichen Querschnitt wie der Luftkanal (22) oder Luftverteilerkasten (26) aufweist, so dass der Rahmen bündig in diesen einsetzbar ist.
7. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der frei durchströmbare Bereich bzw. die frei durchströmbaren Bereiche des Rahmens (3) im oberen Bereich eines Luftkanals (22) oder Luftverteilerkastens (26) angeordnet ist bzw. sind, so dass der Rahmen (3) eine Temperaturschichtung der durchströmenden Luft bewirkt, so dass die Luft im oberen Bereich des Luftkanals bzw. des Luftverteilerkastens kälter als die Luft im unteren Bereich des Luftkanals bzw. des Luftverteilerkastens ist.
8. Heizungs- und/oder Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem mit dem Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine verbundenen, von einem Luftstrom durchsetzbaren Wärmetauscher und einer im Luftstrom angeordneten Zusatzheizung, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzheizung als elektrische Heizvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.