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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizgerätes gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Heizgeräte der eingangs
genannten Art werden bei Fahrzeug-Klimaanlagen z.B. als elektrische Zuheizer
eingesetzt, um einen flüssigen
oder gasförmigen
Wärmeträger unabhängig von
einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs aufheizen zu können. Mit dem
aufgeheizten Wärmeträger, beispielsweise
Umgebungsluft, kann nachfolgend ein Fahrgastraum des Fahrzeugs verhältnismäßig schnell
aufgeheizt und es können
insbesondere Scheiben des Fahrzeugs enteist werden. Man spricht
vom sogenannten Defrosten.
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Bei
einem elektrischen Zuheizer, wie er beispielsweise aus der
EP 0 243 077 A2 bekannt
ist, sind in dessen Wärmeübertrager
PTC-Heizelemente und Radiatorelemente mit Rippen geschichtet angeordnet.
Die PTC-Heizelemente erwärmen
die Radiatorelemente in ihrer unmittelbaren Nähe, die von Umgebungsluft durchströmt werden.
An einem Rand des Heizgeräts
ist eine elektrische Kontaktierung für die PTC-Heizelemente ausgebildet.
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Derartige
Zuheizer regeln bei Erreichen einer bestimmten Grenztemperatur durch
Ansteigen des Widerstandes der PTC-Heizelemente ihre Leistung selbsttätig ab.
Wird an einer PTC-Keramik eine ausreichend hohe Spannung angelegt,
so dass sich die Keramik durch den Stromfluss aufheizt, so tritt
ein Gleichgewichtszustand zwischen zugeführter elektrischer Leistung
und abgegebener thermischer Leistung ein. Die Keramik kann nicht
beliebig hohe Temperaturen annehmen. Durch die spezielle Widerstands-Temperaturcharakteristik
steigt der Widerstand überproportional
an und der elektrische Strom sowie die Leistung werden begrenzt.
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Die
beschriebene Eigenschaft der PTC-Keramik kann ideal für Heizanwendungen
genutzt werden. PTC-Heizelemente können als selbstregelnde dynamische
Heizelemente verwendet werden. Daher kann mit PTC-Heizelementen
die Forderung von Fahrzeug-Herstellern, dass der elektrische Zuheizer bei
geschlossenen Auslassklappen und voller Heizleistung wegen Schmelz-
und Brandgefahr eine Grenztemperatur von ca. 150 °C bis 165 °C nicht überschreiten
darf, eingehalten werden.
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Bekannte
Wärmeübertrager
von elektrischen Zuheizern weisen aber Nachteile hinsichtlich ihrer konstruktiven
Gestaltung auf. So sind für
die im Wärmeübertrager
verteilten PTC-Heizelemente lange elektrische Zuleitungen für hohe Ströme erforderlich. Durch
die Aufteilung der Heizleistung in Form von PTC-Heizelementen entsteht ferner das Problem, dass
die Heizleistung nicht beliebig gleichmäßig über den Wärmeübertrager verteilt werden kann.
Vielmehr führen
nicht besetzte PTC-Plätze,
wie sie zwangsläufig
durch die hohe Widerstandstoleranz von +/– 35 % der PTC-Heizelemente
entstehen, zu Kaltstellen in der Oberfläche des Heizgeräts. Diese
Kaltstellen können
sich als Kaltluftfahnen durch die Luftkanäle der Klimaanlage ziehen.
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Die
Integration der PTC-Heizelemente in den Wärmeübertrager führt auch dazu, dass der Wärmeübertrager
nicht sortenrein ist, sondern aus mehreren Werkstof fen aufgebaut
ist. Diese Werkstoffe, z.B. Aluminium, Kunststoff und Keramik, sind
nach der Lebensdauer des Zuheizers nur schwer zu trennen und zu
recyceln.
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Ferner
muss beim Verwenden von PTC-Heizelementen deren Grenztemperatur
bzw. Heizleitung auf die wärmeabgebenden
Einrichtungen bzw. Rippen des Heizgeräts abgestimmt werden. Daher
können
nur bestimmte PTC-Heizelemente für
die jeweiligen Wärmeübertrager
zur Anwendung kommen.
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Es
sind auch elektrische Zuheizer bekannt, bei denen Heizelemente elektronisch
geregelt werden. Zum Regeln werden Regeltransistoren mit einer Stromstärke der
Regelströme
von ca. 70 bis 140 Ampere verwendet. Solche Regeltransistoren erzeugen Abwärme in der
Größenordnung
von etwa 70 Watt, die vorteilhaft auch in den Wärmeübertrager des Zuheizers eingeleitet
wird. Das Einleiten der Wärme
erfordert aber einen hohen konstruktiven Aufwand. Daher werden im
allgemeinen Regeltransistoren verwendet, die eine möglichst
geringe Verlustleistung aufweisen. Die Regelströme mit hoher Stromstärke müssen mit
Wiederholraten von beispielsweise 30 Hz und 100 Hz geschaltet werden.
Dies führt
zu erheblichen Problemen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit
des Zuheizers innerhalb des Fahrzeugs.
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Ein
die Gattung bildendes Heizgerät
ist aus Patent Abstracts of Japan
JP 63265752 A bekannt. Dort ist ein Fluidheizgerät beschrieben,
bei dem mit einem Wärmerohr
(einer sogenannten Heat-Pipe) von einem PTC-Heizer Wärme zu Rippen
in einem Wärmespeicher
und zu Rippen in einem Durchfluss-Heizgerät transportiert werden kann.
Der PTC-Heizer dient als wärmeerzeugende
Einrichtung, von der die Wärme über das
Wärmerohr
zu den Rippen als wärmeabgebende
Einrichtungen transportiert wird. Ziel ist es durch besondere Techniken
im Wärmespeicher
Wärme über einen
langen Zeitraum zu speichern. Bei dem Heizgerät besteht jedoch das Problem,
dass dieser verhältnismäßig teuer
in der Herstellung ist. Insbesondere die Gestaltung der wärmeerzeugenden
Einrichtung ist aufwendig.
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Aus
Patent Abstracts of Japan
JP
11222025 A ist ein Heizgerät für ein Fahrzeug bekannt, bei
dem ein Wärmeübertrager über ein
Wärmerohr
Wärmeenergie
an einer Abgasanlage abgreift. Wenn die Abgastemperatur ansteigt,
soll die übertragene
Wärmeenergiemenge
begrenzt werden. Dazu ist am Heizgerät eine Steuereinrichtung für die Luftzirkulation vorgesehen,
mit der erwärmte, überschüssige Luft
an die Umgebung abgeführt
wird. Eine solche Steuereinrichtung mag für eine Abgasanlage geeignet
sein, wo überschüssige Wärmeenergie
bereitsteht. Für
ein elektrisches Heizgerät
ist die Steuereinrichtung hingegen ungeeignet. Dort kann es nicht
das Ziel sein, überschüssige Wärmeenergie
elektrisch zu erzeugen und diese dann an die Umgebung abzuführen. Vielmehr
darf überschüssige Wärmeenergie
von vornherein nicht erzeugt werden, damit das elektrische Heizgerät mit hohem
Wirkungsgrad arbeitet.
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Im
Bereich der Halbleitertechnik ist es beispielsweise aus Patent Abstracts
of Japan
JP 04256397
A bekannt, dass Wärmerohre
zum Abführen
von Wärme
an einem Halbleiter-Leistungsbauteil verwendet werden. Dort kann
das Problem auftreten, dass die Wärmerohre aufgrund einer besonders
hohen Temperatur am Halbleiter-Leistungsbauteil austrocknen. Dies
bedeutet, dass die gesamte im Wärmerohr
vorhandene wärmeleitende
Flüssigkeit
verdampft und kein weiterer Phasenübergang zwischen flüssiger und
gasförmiger
Phase stattfindet. Die verdampfte Flüssigkeit bleibt insgesamt im
gasförmigen Zustand.
Die Wärmeleitfähigkeit
der Wärmerohre geht
in diesem Fall stark zurück,
was zu einer Überhitzung
und damit einer Schädigung
der Halbleiter-Leistungsbauteile führen kann. Dieses sogenannte
Phänomen
des „Austrocknens" oder „Trockenkochens" eines Wärmerohres
(phenomenon of dryout), das beispielsweise in der
US 5 331 510 A beschrieben
ist, ist im Bereich der Halbleitertechnik unter allen Umständen zu
vermeiden.
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Aus
DE 38 06 418 C2 ist
ein Auspuffgas-Wärmetauscher
mit regelbarem Wärmetausch von
den Auspuffgasen eines Motors zu dessen flüssigem Kühlmittel bekannt, bei dem in
einem Wärmerohr
ein Verdampfer den Auspuffgasen ausgesetzt ist und ein Kondensator
eine Kühlmittelheizvorrichtung aufweist.
Dem Kondensator ist noch ein Speicher für das Arbeitsmedium des Wärmerohres
zugeordnet. Bei zunehmender Abgastemperatur und/oder abnehmender
Wärmeabgabe
an das Kühlmittel
des Motors wird in steigendem Maße Arbeitsmittel kondensiert, bis
bei einer Grenztemperatur der Betriebsbelastbarkeit am Verdampfer
das gesamte kondensierbare Arbeitsmedium im Speicher enthalten ist,
so dass im Wärmerohr
selbst kein Arbeitsmedium mehr verdampft werden kann.
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Aus
DE 199 11 547 A1 ist
eine elektrische Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt,
bei der mehrere, parallel angeordnete und PTC-Elemente aufweisende
Heizelement sowie Wellrippen in einem Heizblock zusammengefasst
sind.
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Aus
DE 100 15 905 A1 ist
eine Vorrichtung zur Beheizung von Innenräumen von Kraftfahrzeugen bekannt,
bei der Verlustwärme
eines elektrischen Leistungsschalters zur Regelung der Vorrichtung
genutzt und der Leistungsschalter gegen Überhitzung geschützt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizgerät derart
zu betreiben, dass es einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad aufweist
und für die
wärmeerzeugende
Einrichtung ein sicherer Überhitzungsschutz
gewährleistet
ist. Damit sollen die Betriebskosten der zugehörigen Klimaanlage eines Fahrzeugs
gesenkt werden.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem
Verfahren gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den nebengeordneten
Ansprüchen
definiert.
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Die
Erfindung nutzt das Phänomen
des Austrocknens eines Wärmerohres,
das in der Halbleitertechnik stets vermieden wird, um bei einer
Granztemperatur an den wärmeabgebenden
Einrichtungen eines Heizgerätes
einer Fahrzeug-Klimaanlage die Wärmeleitkapazität der wärmeleitenden
Verbindung stets zu verringern. Bei einer Erhöhung der Temperatur des Mediums
im Wärmerohr
verdampft dieses solange, wie es der entstehende Dampfdruck erlaubt. Ist
derart wenig Medium im Wärmerohr,
dass dieses insgesamt verdampfen kann, so endet der Zyklus von Verdampfen
und Kondensieren. Das gesamte Medium bleibt im verdampften Zustand
und die wärmeleitende
Verbindung ist nahezu unterbrochen.
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Erfindungsgemäß wird so
verhindert, dass über
die wärmeleitende
Verbindung des Wärmerohres
von der wärmeerzeugenden
Einrichtung weiter Wärmeenergie
zu den wärmeabgebenden
Einrichtungen gefördert
wird. Die Temperatur an den wärmeabgebenden
Einrichtungen bleibt also auf die Grenztemperatur beschränkt.
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Zugleich
führt die
nahezu unterbrochene wärmeleitende
Verbindung dazu, dass die wärmeerzeugende
Einrichtung wärmetechnisch
isoliert ist. Wird an der wärmeerzeugenden
Einrichtung weiter Wärmeenergie
erzeugt, so steigt die Temperatur an diesem Gerät verhältnismäßig rasch an. Dieser Temperaturanstieg
kann zum schnellen Abschalten der wärmeerzeugenden Einrichtung
genutzt werden. Die wärmeerzeugende
Einrichtung kann also besonders gut kurzfristig abgeregelt werden.
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Darüber hinaus
entkoppelt die Unterbrechung der wärmeleitenden Verbindung auch
die wärmeabgebenden
Einrichtungen hinsichtlich der Grenztemperatur der wärmeerzeugenden
Einrichtung. Erfindungsgemäß kann die
Grenztemperatur der wärmeabgebenden
Einrichtungen mit Hilfe der Menge des Mediums im Wärmerohr
eingestellt werden. Die Grenztemperatur der wärmeerzeugenden Einrichtung
ist hingegen eine andere Grenztemperatur, die höher als die Grenztemperatur
der wärmeabgebenden
Einrichtungen ist. Zwischen der wärmeerzeugenden und der wärmeabgebenden
Einrichtung besteht ein Temperaturgefälle, so dass die wärmeerzeugende
Einrichtung die höhere
Temperatur aufweist. Diese Temperatur darf insbesondere bei einem Verdämmen der
wärmeabgebenden
Einrichtung nicht unbegrenzt ansteigen, so dass die erfindungsgemäße Lösung besonders
für diesen
Fall als Überhitzungsschutz
der wärmeerzeugenden
Einrichtung verwendet werden kann.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung wird
die Temperatur der wärmeabgebenden
Einrichtungen und damit die Temperatur der durch den Wärmeübertrager
des Heizgeräts
geförderten
Heizluft sicher begrenzt. Eine Überhitzung
von Bauteilen der Klimaanlage, insbesondere in der Nähe des Heizgeräts, wird vermieden.
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Die
erfindungsgemäße Temperaturbegrenzung
kann als redundantes Sicherungssystem auch neben anderen Regeleinrichtungen
zum Begrenzen von Grenz- bzw. Maximaltemperaturen in einer Klimaanlage
verwendet werden.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die wärmeerzeugende
Einrichtung mindestens ein Heizelement auf. Die erfindungsgemäße Lösung ist
aber auch besonders vorteilhaft in Kombination mit Heizelementen
einsetzbar, die nicht selbsttätig
ihre Grenztemperatur regeln. Solche Heizelemente sind insbesondere
Widerstandsdrähte,
Heizkeramik oder Widerstandsfolien. Ein PTC-Heizelement kann aus einem weitaus größeren Sortiment ausgewählt werden
als bei bisherigen Heizgeräten, denn
die Grenztemperatur des PTC-Heizelementes ist nahezu unabhängig von
der Grenztemperatur der wärmeabgebenden
Einrichtungen. Somit kann ein PTC-Heizelement verwendet werden,
dessen Grenztemperatur erheblich höher als die Grenztemperatur der
wärmeleitenden
Einrichtungen ist.
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Bei
einer konstruktiv besonders kostengünstig zu gestaltenden Variante
der Erfindung ist das Heizelement in einem Längsschlitz eines Strangpressprofils
eingebettet. Das Heizelement kann ferner in einer vollständig vom
Material des Strangpressprofils umgebenen Öffnung angeordnet sein. Bei
diesen Anordnungen kann das Heizelement durch Verpressen des Materials
des Strangpressprofils mechanisch festgelegt, wärmetechnisch angebunden und
elektrisch kontaktiert werden. Ferner kann das Heizelement mit Hilfe
eines Federelementes angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich zu
einem Strangpressprofil kann als Grundkörper für die wärmeerzeugende Einrichtung ein
Druckgussteil verwendet werden. Die Form eines Druckgussteils kann
besonders flexibel gestaltet werden.
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Als
Heizelemente kann die wärmeerzeugende
Einrichtung insbesondere mit einem Heizleiter versehen sein. In
Kombination mit einem Heizleiter ergeben sich hinsichtlich der Regelung
der wärmeerzeugenden
Einrichtung ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile. Die Grenztemperatur
des Heizleiters kann unabhängig
von der Grenztemperatur der wärmeabgebenden
Einrichtungen begrenzt werden. Ferner kann das Heizgerät mit der
erfindungsgemäßen Begrenzung
der Menge des Mediums im Wärmerohr redundant
abgesichert werden.
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Bei
dieser Weiterbildung ergibt sich eine besonders kostengünstige Lösung, indem
der Heizleiter in einer Längsöffnung eines
Strangpressprofils eingeschoben ist.
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Als
weitere, besonders sinnvolle Lösung
für die
wärmeerzeugende
Einrichtung kann diese mit mindestens einem Transistor versehen
sein. Auch hier können
die oben genannten Vorteile genutzt werden.
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Das
Anordnen eines Transistors ist besonders kostengünstig möglich, indem der Transistor
an einer Funktionsfläche
mit einem Teil der wärmeerzeugenden
Einrichtung, insbesondere einem Aluminium-Druckgussteil, wärmeleitend
verbunden ist. Funktionsflächen
können
auch an einem Strangpressprofil verhältnismäßig einfach ausgebildet werden.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele einer
erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimaanlage anhand
der beigefügten
schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen
Querschnitt einer Klimaanlage,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Heizgeräts der Klimaanlage gemäß 1,
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3 eine
Seitenansicht eines Abschnitts eines teilweise aufgebrochenen Wärmerohrs
des Heizgeräts
gemäß 2,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Strangpressprofils
einer wärmeerzeugenden
Einrichtung an einem Heizgerät
gemäß 2,
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5 eine
perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Strangpressprofils
einer wärmeerzeugenden
Einrichtung an einem Heizgerät
gemäß 2,
und
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6 ein
Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur
einer PTC-Keramik veranschaulicht.
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In 1 ist
eine Klimaanlage 10 für
ein Fahrzeug 12 in Gestalt eines Personenkraftwagens dargestellt.
Die Klimaanlage 10 ist im Bereich einer Instrumententa fel 14 des
Fahrzeugs 12 eingebaut. Sie weist einen Lufteinlass 16 auf,
der sich zwischen einer Motorhaube 18 und einer Windschutzscheibe 20 des
Fahrzeugs 12 befindet. Unterhalb des Lufteinlasses 16 befindet
sich ein Luftgebläse 22,
welches Luft aus der Umgebung des Fahrzeugs 12 in einen
Klimakasten 24 fördert.
Der Klimakasten 24 ist ein Raum, der sich unterhalb der
Windschutzscheibe 20 befindet und in dem zwei Wärmeübertrager 26, 28 und
ein Heizgerät 30 hintereinander
angeordnet sind.
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Luft,
die vom Luftgebläse 22 durch
die Wärmeübertrager 26, 28 bzw.
das Heizgerät 30 gefördert und
gegebenenfalls erwärmt
worden ist, gelangt nachfolgend in diverse Luftkanäle 32, 34 und 36,
die in der Instrumententafel 14 ausgebildet sind. Durch die
Luftkanäle 32, 34 und 36 gelangt
die Luft zu Auslassklappen 38, 40 und 42 und
schließlich
durch Luftauslässe 44, 46 und 48 in
einen Fahrgastraum 50.
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Die
Wärmeübertrager 26 und 28 sind
für flüssige Wärmeträger vorgesehen,
beispielsweise das Kühlwasser
eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors des Fahrzeugs 12.
Die flüssigen
Wärmeträger werden
von einer weiter nicht dargestellten Heizung oder Kühlung des
Fahrzeugs 12 durch die Wärmeübertrager 26 und 28 gefördert.
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Das
Heizgerät 30 ist
als elektrischer Zuheizer gestaltet, mit dessen Hilfe die Luft aus
der Umgebung des Fahrzeugs 12 erwärmt werden soll, wenn von der
restlichen Heizung des Fahrzeugs 12 nicht ausreichend Wärmeenergie
bereit gestellt werden kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn
das Kühlwasser
des Verbrennungsmotors unmittelbar nach seinem Start kalt ist. Ferner
kann ein elektrischer Zuheizer sinnvoll bzw. erforderlich sein,
wenn das Fahrzeug 12 mit einem verbrauchsoptimierten Verbrennungsmotor
versehen ist, der insgesamt verhältnismäßig wenig
Abwärme
liefert.
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2 veranschaulicht
den Grundaufbau des Heizgeräts 30.
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Das
Heizgerät 30 weist
eine im wesentlichen geschlossene wärmeerzeugende Einrichtung 52 auf, die
mit wärmeleitenden
Einrichtungen 54 in Gestalt von Wärmerohren 58 verbunden
ist. Die Wärmerohre 58 sind
an wärmeabgebenden
Einrichtungen 56 in Form von einer Vielzahl Rippen wärmeleitend
angeschlossen.
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Die
Einrichtungen 52, 54 und 56 bilden innerhalb
des Heizgeräts 30 einzelne
Module, die je nach geforderter Heizleistung und gewünschten
Strömungs-
und Platzverhältnissen
an den Rippen einzeln angepasst und kombiniert werden können. Dabei
kann für
die Wärmerohre 58 in
Kombination mit den wärmeabgebenden
Rippen 56 ein herkömmlicher
Wärmeübertrager
verwendet werden, wie er beispielsweise bei Wasser-Luft-Wärmeübertragern verwendet
wird. Die Rippen können
auch als wellen- oder zickzackförmige
Bleche zwischen je zwei Wärmerohren 58 ausgebildet
sein. Die Wärmerohre 58 sind
Rundrohre. Vorteilhaft ist auch eine Gestaltung als Flachrohre.
Die oben genannten zickzackförmigen
Rippen können
an solche Flachrohre besonders gut angekoppelt werden.
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Die
wärmeerzeugende
Einrichtung 52 ist an einem Rand des Heizgeräts 30 angeordnet.
Von ihr stehen mehrere Wärmerohre 58 lotrecht
ab und ragen durch die Vielzahl Rippen 56, welche sich
regelmäßig beabstandet
parallel zur wärmeezeugenden Einrichtung 52 erstrecken.
Die Wärmerohre 58 durchsetzen
die Rippen 56 also im wesentlichen senkrecht.
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Zwischen
der wärmeerzeugenden
Einrichtung 52 und den Wärmerohren 58 sowie
zwischen den Wärmerohren 58 und
den wärmeabgebenden Rippen 56 sind
je Verbindungen ausgebildet, die besonders gut wärmeleitend sind.
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Die
vorgesehenen Wärmerohre 58 ermöglichen
es, dass die Heizelemente des Heizgeräts 30 an einem Rand
oder zumindest in einem Be reich des Heizgeräts 30 konzentriert
werden können.
Die erzeugte Wärme
kann mittels der Wärmerohre 58 dennoch
gleichmäßig über die
gesamte Fläche
des Heizgeräts 30 verteilt
werden, ohne dass es zur Bildung von Kaltluftfahnen kommt.
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In 3 ist
die Funktion eines Wärmerohres 58 als
wärmeleitende
Einrichtung 54 innerhalb eines Heizgeräts 30 veranschaulicht.
Solch ein Wärmerohr 58 wird
auch als „Heat-Pipe" bezeichnet.
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Im
Wärmerohr 58 erfolgt
der Wärmetransport
von unten noch oben. Im unteren Bereich des Wärmerohres 58 sitzt
als Wärmequelle
die wärmeerzeugende
Einrichtung 52. Von ihr wird eine Flüssigkeit verdampft, die sich
im Wärmerohr 58 befindet. Als
Flüssigkeit
kann beispielsweise hochreines Wasser verwendet werden. Die verdampfte
Flüssigkeit steigt
mit hoher Geschwindigkeit als Dampf im Wärmerohr 58 auf. Dies
ist mit Pfeil A veranschaulicht.
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Der
Dampf gelangt an Stellen einer hohlzylindrischen Wand 60 des
Wärmerohrs 58,
an denen verhältnismäßig geringe
Temperaturen herrschen, weil das Wärmerohr 58 dort beispielsweise
durch Wärmeleitung
an einer Rippe 56 gekühlt
worden ist (Pfeil B). An den kälteren
Stellen kondensiert der Dampf. Der verflüssigte Dampf strömt als Flüssigkeit zum
unteren Bereich des Wärmerohres 58 und
der dort angeordneten Wärmequelle
zurück
(Pfeil C). Mit einem erneuten Verdampfen der Flüssigkeit beginnt der beschriebene
Kreislauf des Wärmetransports von
neuem.
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Der
Dampf kondensiert am Wärmerohr 58 genau
dort, wo die kälteren
Stellen der Wand 60 sind, also an den Stellen, an denen
Heizbedarf besteht. Die Wand 60 des Wärmerohrs 58 ist daher
nahezu homogen temperiert. Ein merklicher Temperaturabfall, wie
man ihn bei der Wärmeleitung
in einem Festkörper
kennt, ist im allgemeinen nicht zu verzeichnen. Durch den Phasenübergang
zwischen flüssig und
gasförmig
können
große
Wärmemengen
transportiert werden. Die Wärme transportfähigkeit
eines solchen Wärmerohres 58 ist
im Vergleich zu Festkörpern
mit ähnlichen
Abmessungen etwa 10 bis 1000 mal höher.
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Das
Zurückführen der
kondensierten Flüssigkeit
zur Wärmequelle
kann auch durch Kapillarwirkung in beispielsweise einem feinen Netz
an der Innenseite des Wärmerohres 58 erfolgen.
Das Wärmerohr 58 kann
dann auch waagrecht angeordnet betrieben werden.
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Die
Wärmerohre 58 sind
je mit einer derart geringen Menge Flüssigkeit gefüllt, dass
bei Erreichen einer vorbestimmten Grenztemperatur an den wärmeabgebenden
Einrichtungen 56 die gesamte Menge Flüssigkeit verdampft worden ist.
Die verdampfte Flüssigkeit
füllt in
diesem Fall die Wärmerohre 58 je
bei einem bestimmten Druck aus. Weitere Phasenwechsel von flüssig zu
dampfförmig
und von dampfförmig
zu flüssig
entfallen. Daher geht die Transportfähigkeit an Wärmeenergie
der einzelnen Wärmerohre 58 nahezu
schlagartig und in erheblichem Umfang zurück.
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Es
ist ein Mechanismus gefunden, um die wärmeerzeugende Einrichtung 52 ab
einer gewissen Grenztemperatur wärmetechnisch
von den wärmeabgebenden
Einrichtungen 56 abzukoppeln. Für das Heizgerät 30 ist
eine wirkungsvolle, einfach und kostengünstig zu realisierender sowie
wartungsfreier Überhitzungsschutz
geschaffen.
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Bei
dieser Art Temperatursicherung ergibt sich der Vorteil, dass die
Temperatur an der wärmeerzeugenden
Einrichtung 52 sofort ansteigt, sobald sich einzelne Wärmerohre 58 abkoppeln.
Die noch angekoppelten Wärmerohre 58 werden
verstärkt
erwärmt
und sogleich zum Abkoppeln geführt.
Zugleich entsteht an der wärmeerzeugenden
Einrichtung 52 ein Wärmestau,
der vorteilhaft zum sofortigen Abregeln der wärmeerzeugenden Einrichtung 52 genutzt werden
kann.
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In 4 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
wärmeerzeugenden
Einrichtung 52 dargestellt, wie sie für das Heizgerät 30 verwendet
wird.
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Die
wärmeerzeugende
Einrichtung 52 weist ein Stangpressprofil 62 aus
einer Aluminiumlegierung mit einem im wesentlichen zylindrischen
Grundkörper
auf, in dem eine zylindrische Längsöffnung 64 und
quer zu dieser drei zylindrische Queröffnungen 66 ausgebildet
sind.
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In
die Queröffnungen 66 sind
bei montiertem Heizgerät 30 untere
Enden der Wärmerohre 58 eingesteckt
und dort wärmeleitend
verstemmt oder verlötet.
Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform ist die wärmeerzeugende
Einrichtung 62 mit einem Druckgusskörper gestaltet, in den Wärmerohre 58 eingepresst
sind.
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Die
Längsöffnung 64 dient
zum Aufnehmen eines elektrischen Heizelementes in Gestalt eines Heizstabes 68.
Der Heizstab 68 ist mit einem zylindrischen Rohrmantel 70 versehen,
dessen Durchmesser an den Durchmesser der Längsöffnung 64 angepasst
ist. Im Rohrmantel 70 befindet sich Isoliermasse 72.
An den Enden ist der Rohrmantel 70 durch keramische Endbuchsen 74 verschlossen,
an denen je ein elektrischer Anschluss 76 mit einem Anschlussbolzen 78 angeordnet
ist. Zwischen den Anschlussbolzen 78 ist ein Heizleiter 80 durch
die keramischen Endbuchsen 74 und die Isoliermasse 72 geführt. Bei einem
nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Rohrmantel 70 weggelassen und der Heizleiter 80 sowie
die Isoliermasse 72 sind unmittelbar in die Längsöffnung 64 eingefügt und in
dieser festgelegt.
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Mit
Hilfe des Heizleiters 80 kann im Betrieb des Heizgeräts 30 mit
dem Heizstab 68 das Strangpressprofil 62 aufgeheizt
werden. Das Strangpressprofil 62 überträgt die Wärme unmittelbar auf die eingebetteten
Enden der Wärmerohre 58.
Diese führen
die Wärme
gleichmäßig und
schnell zu den Rippen, die als wärmeabgebende
Einrichtungen 56 dienen.
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Am
Strangpressprofil 62 ist schließlich noch eine Abplattung 82 ausgebildet,
mittels der das Strangpressprofil 62 und gegebenenfalls
die an ihm angebrachten Wärmerohre 58 mit
den Rippen 56 direkt an einem Bauteil des Fahrzeugs 12 oder
in einem nicht dargestellten Außengehäuse des
Heizgeräts 30 befestigt
werden können.
Die Abplattung 82 kann auch zum Befestigen eines Regel-Transistors dienen,
mit dem die Heizleistung des Heizleiters 80 elektrisch
geregelt wird.
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In 5 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
wärmeerzeugenden
Einrichtung 52 mit einem Strangpressprofil 84 dargestellt,
welches zum Aufnehmen von PTC-Heizelementen 86 dient.
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Das
Strangpressprofil 84 ist als zylindrischer Grundkörper gestaltet,
in dem ein Längsschlitz 88 und
quer zu diesem drei Queröffnungen 90 ausgebildet
sind. Die Queröffnungen 90 dienen
wiederum zum Aufnehmen von Enden der Wärmerohre 58.
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Im
Längsschlitz 88 werden
bei der Montage des Heizgeräts 30 die
PTC-Heizelemente 86 eingeklemmt.
Zum Klemmen wird das Strangpressprofil 84 im Bereich des
Längsschlitzes 88 elastisch
geweitet, die PTC-Heizelemente 86 werden eingeschoben und es
wird zugelassen, dass sich der Längsschlitz 88 wieder
elastisch verengt.
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Somit
ist zwischen dem Strangpressprofil 84 und den PTC-Heizelementen 86 eine
gut wärmeleitende
und zugleich für
eine elektrische Kontaktierung geeignete Verbindung geschaffen.
Für diese
sind im Längsschlitz 88 nicht
dargestellte Funktionsflächen ausgebildet.
Auch die weitere Kontaktierung der PTC-Heizelemente 86 ist in der
vereinfachten Darstellung der 5 weggelassen
worden.
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Die
PTC-Heizelemente 86 sind beim Heizgerät 30 die Bauteile,
welche aufgrund ihrer komplexen Herstellung und ihres teueren Materials
die höchsten Kosten
verursachen. Man ist daher bestrebt, die PTC-Heizelemente 86 mit
maximaler Leistung P zu betreiben. Bei konstanter Versorgungsspannung
bedeutet dies wegen P = U2/R, dass auf der
Widerstandskennlinie der PTC-Heizelemente 86 der minimale
Widerstand angesteuert werden sollte.
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Der
eingangs beschriebene Gleichgewichtszustand zwischen Widerstand
und Temperatur an den PTC-Heizelementen 86 und auch die
dabei erreichte Temperatur der Keramik hängen in hohem Maße von der
Wärmeabgabe
an die Umgebung ab. Nur mit einer günstigen wärmeleitenden Einrichtung 54 können hohe
Heizleistungen erzielt und damit ein optimiertes und langlebiges
Heizgerät 30 mit PTC-Keramik
geschaffen werden.
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Die
Kombination von PTC-Heizelementen 86 mit Wärmerohren 58 führt zu einer
stärkeren
Ableitung von Wärme
von den PTC-Heizelementen 86 als bei bisher verwendeten
Technologien. Als Folge der besseren Wärmeleitung erniedrigt sich
die Temperaturdifferenz zwischen den PTC-Heizelementen 86 und
den wärmeabgebenden
Einrichtungen 56 des Heizgeräts 30. Das PTC-Heizelement 86 kühlt ab. Die
damit verbundene Erhöhung
des Widerstandes lässt
die elektrische Leistung abfallen, bis ein neuer Gleichgewichtszustand
erreicht ist (siehe Punkt 1 nach Punkt 2 in 6). Die
PTC-Heizelemente 86 würden
also grundsätzlich
bei niedrigerer Temperatur betrieben.
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Nun
kann jedoch eine PTC-Keramik mit einem besonders niedrigen elektrischen
Widerstand verwendet werden. Dadurch erhöht sich die Leistung der PTC-Heizelemente 86 und
somit steigt die Temperatur wieder auf den optimalen Betriebspunkt
an (siehe Punkt 2 nach Punkt 3 in 6). Beim
optimalen Betriebspunkt befinden sich die PTC-Heizelemente 86 in
der Nähe
der Stelle des niedrigsten Widerstandes der PTC-Keramik.
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Dies
bedeutet, dass die PTC-Heizelemente 86 das niedrigste Eigengewicht
pro abgegebener Leistung aufweisen. Die Verwendung von Wärmerohren 58 bietet
also die Möglichkeit,
bei konstanter Heizleistung die Anzahl und das Gewicht der PTC-Heizelemente 86 samt
Kontaktierung signifikant zu verringern. Die Heizleistung kann bezogen
auf die Kosten der PTC-Heizelemente erheblich gesteigert werden.
Darüber
hinaus kann die wärmeerzeugende Einrichtung 52 besonders
kompakt gestaltet sein.
-
- 10
- Klimaanlage
- 12
- Fahrzeug
- 14
- Instrumententafel
- 16
- Lufteinlass
- 18
- Motorhaube
- 20
- Windschutzscheibe
- 22
- Luftgebläse
- 24
- Klimakasten
- 26
- Wärmeübertrager
- 28
- Wärmeübertrager
- 30
- Heizgerät
- 32
- Luftkanal
- 34
- Luftkanal
- 36
- Luftkanal
- 38
- Auslassklappe
- 40
- Auslassklappe
- 42
- Auslassklappe
- 44
- Luftauslass
- 46
- Luftauslass
- 48
- Luftauslass
- 50
- Fahrgastraum
- 52
- wärmeerzeugende
Einrichtung
- 54
- wärmleitende
Einrichtung
- 56
- wärmeabgebende
Einrichtung
- 58
- Wärmerohr
- 60
- Wand
- 62
- Strangpressprofil
- 64
- Längsöffnung
- 66
- Queröffnung
- 68
- Heizstab
- 70
- Rohrmantel
- 72
- Isoliermasse
- 74
- Endbuchse
- 76
- Anschluss
- 78
- Anschlussbolzen
- 80
- Heizleiter
- 82
- Abplattung
- 84
- Strangpressprofil
- 86
- PTC-Heizelement
- 88
- Längsschlitz
- 90
- Queröffnung