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Die
Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
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Derartige
Heizeinrichtungen weisen einen Wärmetauscherkörper und
in einem Aufnahmehohlraum des Wärmetauscherkörpers angeordnete
Widerstandsheizelemente auf, wobei Oberflächen des Aufnahmehohlraumes
an Oberflächen
der Widerstandsheizelemente angepresst werden, um eine gute Wärmeübertragung
zu gewährleisten.
Diese Heizeinrichtungen werden vielfältig eingesetzt, so z.B. in
Schaltschränken,
um die darin enthaltene Elektronik auch bei niedrigen Außentemperaturen auf
Betriebstemperatur zu halten. Sie werden mit unterschiedlichen Wärmeleistungen
in hohen Stückzahlen
gefertigt. Der auf dem Markt akzeptierte Preis ist relativ niedrig.
Unterschiedliche Wärmeleistungen bedeuten
aber eine angepasste Anzahl von Widerstandselementen, so dass für jede geforderte
Wärmeleistung
auch ein angepasster Wärmetauscherkörper bereitgestellt
werden muss.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Heizeinrichtungen der eingangs
genannten Art für unterschiedliche
Wärmeleistungen
bei vereinfachter Fertigung und mit geringen Kosten herzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Heizeinrichtung nach Patentanspruch 1 gelöst.
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Insbesondere
wird die Aufgabe durch eine Heizeinrichtung, umfassend mindestens
ein Heizelement, insbesondere mindestens ein PTC-Element, mit Stromzufuhreinrichtungen
und Isoliereinrichtungen, einen Wärmetauscherkörper mit
einer ersten Oberfläche
zur Abgabe von Wärme
an eine Umgebung und mit einem Aufnahmehohlraum zur Aufnahme des
Heizelements, wobei das Heizelement in wärmeleitender Verbindung zum
Wärmetauscherkörper im
Aufnahmehohlraum angeordnet ist, dadurch gelöst, dass das Heizelement in
einem Rahmen als gesondert handhabbares Bauteil angeordnet und der Rahmen
mitsamt dem Heizelement in den Aufnahmehohlraum zur Montage der
Heizeinrichtung einschiebbar ist.
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Ein
wesentlicher Punkt der Erfindung liegt somit darin, dass für geforderte
unterschiedliche Heizleistungen ein einziger Wärmetauscherkörper einsetzbar
ist, da in einen vorgegebenen Rahmen vor der Montage je nach Leistungsbedarf
eine entsprechende Anzahl von Heizelementen eingebracht werden kann,
wodurch Aufwand und Lagerhaltung reduziert werden können. Außerdem gewährleistet
eine symmetrische Anordnung eine gleichmäßige Pressung. Weiterhin liegt
ein wesentlicher Punkt der Erfindung darin, dass beim Zusammenbau
das Heizelement oder eine Gruppe von Heizelementen sehr viel leichter
im Wärmetauscherkörper montierbar
ist, da der Rahmen die Handhabung erleichtert.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform,
bei der der Rahmen Separierungseinrichtungen, insbesondere Abstandshalter
oder Fenster aufweist, die derart ausgebildet sind, dass mehrere
Heizelemente getrennt voneinander, vorzugsweise äquidistant, im Rahmen fixierbar
sind. Damit wird eine einfache Anordnung, im Bedarfsfall auch eine
symmetrische Anordnung und Ausrichtung der Heizelemente erreicht.
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Vorzugsweise
umfassen die Stromzufuhreinrichtungen plattenförmige Elektroden, die am Rahmen
unter Einschluss des Heizelementes oder der Heizelemente fixierbar
sind. Diese sorgen für
einen guten Wärmeübergang
und auch für
einen guten elektrischen Kontakt und sind bei der Fertigung einfach
zu handhaben. Weiterhin erweist sich der Rahmen auch hier wieder
von großem
Vorteil, weil wiederum nur ein einziges Teil, nämlich der Rahmen mitsamt den
daran fixierten Elektroden in den Wärmetauscherkörper eingesetzt
werden muss.
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Der
Rahmen weist vorzugsweise Winkelstücke und Rasthaken zum Fixieren
der Elektroden auf. Dadurch ist eine einfache Konfektionierung möglich, weil
nach dem Anordnen der einen Elektrode die Heizelemente eingelegt
werden können
und danach die andere Elektrode aufgebracht wird.
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Vorzugsweise
weist der Rahmen erste Führungseinrichtungen
und der Wärmetauscherkörper zweite
Führungseinrichtungen
auf, die derart zusammenwirkend ausgebildet sind, dass der Rahmen
mit dem Heizelement oder den Heizelemente in eine definierte Position
in den Aufnahmehohlraum einsetzbar ist. Damit ist sichergestellt,
dass der Rahmen mitsamt dem Heizelement oder den Heizelementen insbesondere
bei einer Massenfertigung schnell und genau positioniert in den
Aufnahmehohlraum gebracht werden kann. Die genaue Positionierung
ist auch für die
Pressung wegen einer gleichmäßigen Druckverteilung
von Vorteil.
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Vorzugsweise
weist der Rahmen dritte Führungseinrichtungen
auf, die derart ausgebildet sind, dass die die Stromzufuhreinrichtungen überdeckenden
Isoliereinrichtungen, insbesondere eine Isolierfolie, z.B. aus Polyimid,
am Rahmen in einer bestimmten Position fixierbar ist.
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Nachdem
bei der Vorfertigung in den Rahmen die Heizelemente und die Elektroden
eingelegt und fixiert sind, erlauben die dritten Führungseinrichtungen
eine exakte Ausrichtung der Isoliereinrichtungen vor dem Einbringen
in den Aufnahmehohlraum. Das Überdecken
der Stromzufuhreinrichtungen mit einer Isolierfolie ist besonders
von Vorteil, weil dieser Vorgang ohne großen Aufwand und schnell erfolgen kann,
insbesondere dann, wenn die Isolierfolie aus einem Stück ist und
um die Stromzufuhreinrichtungen herumgelegt wird.
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Vorzugsweise
ist der Wärmetauscherkörper derart
plastisch verformbar ausgebildet, dass der Aufnahmehohlraum zur
festen Verbindung des Wärmetauscherkörpers mit
dem Heizelement oder den Heizelementen einengbar ist. Eine derartige
plastische Verformung ist durch Pressen und Biegen herzustellen,
wobei die Verbindung dauerhaft aufrecht erhalten bleibt, wenn die
für die
Verformung vorgesehen Elemente überdehnt
oder vorgespannt werden, damit auch bei einer Erwärmung des
Wärmetauscherkörper eine
ausreichende Federwirkung erhalten bleibt.
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Von
Vorteil ist bei einem Wärmetauscherkörper mit
einer vorbestimmten Wandstärke,
der eine zweite Oberfläche
zum Übertragen
von Wärme
vom Heizelement oder von den Heizelementen auf den Wärmetauscherkörper aufweist,
bei dem der zweiten Oberfläche
gegenüber
ein Andruckelement zum Anpressen der Heizelemente an die zweite
Oberfläche vorgesehen
ist und bei dem das Andruckelement mit dem Wärmetauscherkörper an
der einen und der anderen Außenseite
des Wärmetauscherkörper über je einen
plastisch verformbaren Verbindungsabschnitt insbesondere einstückig verbunden
ist, dass die Wandstärke
zwischen der zweiten Oberfläche
und dem Andruckelement zur einen und zur anderen Außenseite
des Wärmetauscherkörpers abnimmt,
wodurch verhindert wird, dass die Flächen, auf denen das oder die
Heizelemente aufliegen, verbogen werden, was den Wärmeübergang
dauerhaft verbessert.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei
zeigen
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1 eine
perspektivische Skizze einer Heizeinrichtung mit einem Wärmetauscherkörper gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2 eine
Draufsicht auf eine Heizeinheit gemäß einer ersten Ausführungsform,
sowie einen Schnitt entlang der Linie A-A;
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3 Draufsichten,
Ansichten und Schnitte A-A, B-B und C-C eines Rahmens in der Heizeinheit als
Bauteil, wie er bei der ersten Ausführungsform nach 2 Verwendung
findet;
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4 ein
Kühlkörperprofil
des Wärmetauscherkörpers gemäß der ersten
Ausführungsform;
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5 ein
Kühlkörperprofil
eines Wärmetauscherkörpers gemäß einer
zweiten Ausführungsform;
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6 eine
Draufsicht auf eine Heizeinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform,
sowie einen Schnitt entlang der Linie A-A;
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7 eine
Heizeinrichtung mit einem Wärmetauscherkörper gemäß der zweiten
Ausführungsform
und einer Heizeinheit gemäß der zweiten
Ausführungsform
mit angesetzten Presswerkzeugen;
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8 u. 9 schematisierte
Darstellungen der Ausführungsform
nach den 1 und 4, sowie
nach den 5 und 7 vor und
nach der Verformung der Verbindungselemente und
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10 die
gefertigte Heizeinrichtung mit dem Wärmetauscherkörper gemäß der ersten
Ausführungsform
und mit der Heizeinheit in Schnitten A-A und B-B nach der ersten
Ausführungsform.
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In
der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleich wirkende
Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
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Gemäß 1 weist
die Heizeinrichtung einen Wärmetauscherkörper 200 mit
einer Heizeinheit, die insbesondere PTC-Elemente aufweist, in einem Aufnahmehohlraum 20 des
Wärmetauscherkörpers 200, 26 auf.
Der Aufnahmehohlraum 20 ist an beiden Enden mit je einem
Kunststoff-Formteil 11 verschlossen, wobei durch das eine
an einem Ende die Leitungen 12, 13 für Stromzufuhreinrichtungen
nach außen geführt sind.
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Die
Heizeinheit 100 nach 2 umfasst mehrere
Heizelemente 1, mindestens jedoch ein PTC-Element, die
in einem Rahmen 2, insbesondere aus Kunststoff, und die
zwischen plattenförmigen Elektroden 3,
insbesondere aus Aluminium, angeordnet sind. Über Anschlussfahnen 4, 5 der
plattenförmigen
Elektroden 3 werden die Heizelemente 1 mit Strom
versorgt.
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Der
Rahmen 2 hat, wie der 3 im Detail entnehmbar,
eine rechteckige oder quadratische Grundfläche und weist an zwei gegenüberliegenden Seiten
jeweils eine erste Führungseinrichtung 6 auf, die
am Rahmen in Form von Leisten ausgebildet ist. Im Rahmen 2 sind über die
Länge des
Rahmens 2 sich erstreckende Separierungseinrichtungen 7,
insbes. Abstandshalter oder Fenster vorgesehen, mit denen ein Heizelement
oder mehrere Heizelemente 1 getrennt voneinander, vorzugsweise äquidistant,
im Rahmen 2 fixierbar sind. In den Bereichen zwischen den
angeformten Leisten 6 und den Separierungseinrichtungen 7 sind
zum einen auf jeder Seite und am Rand des Rahmens 2 Winkelstücke 8 in
Form rechtwinkliger Erhebungen und zum anderen auf jeder Seite zwischen
den rechtwinkligen Erhebungen jeweils zwei voneinander beabstandete
Rasthaken 9 vorgesehen. Mit den Rasthaken 9 werden
die plattenförmigen
Elektroden 3 gehalten, wobei die Winkelstücke 8 diese
in einer vorbestimmten Position fixieren.
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Die 2 zeigt
die zusammengebaute Heizeinheit 100 mit den in die Rasthaken 9 eingesetzten und
durch die Winkelstücke 8 in
der Position fixierten Elektroden 3 mit den Anschlussfahnen 4, 5 und
den zwischen den Elektroden 3 eingesetzten Heizelementen 1.
Vor dem Einsetzen der Heizeinheit 1 in den Aufnahmehohlraum 20 werden
die Elektroden 3 mit Isoliereinrichtungen 10 (siehe 6)
abgedeckt. Die Innenseiten der Leisten 6 bilden die dritten
Führungseinrichtungen 14 zum
Positionieren und Fixieren der Isoliereinrichtungen 10 im
bzw. am Rahmen 2. Zur Montage kann hier also eine Vorkonfektionierung
erfolgen.
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Gemäß 4 weist
der Wärmetauscherkörper 200 Rippen 21 auf,
welche eine erste Oberfläche 22 bilden,
die zum Austausch von Wärme
zwischen dem Wärmetauscherkörper 200 und
der Umgebungsluft oder einem anderem fluiden Medium dient.
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Im
Inneren des Wärmetauscherkörpers 200 ist
eine zweite Oberfläche 25 angeordnet,
die einer Andruckfläche 27 gegenüberliegt.
Diese Andruckfläche 27 wird
von einem Andruckelement 26 gebildet, das im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
identisch zum Wärmetauscherkörper 200 gebildet
ist, so dass diese beiden Teile – zumindest gedanklich – auch vertauscht
werden können;
die Heizeinheit sitzt also zwischen zwei identischen Wärmetauscherkörpern 200, 26,
so dass eine optimale Wärmeabfuhr
gewährleistet
wird.
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Die
beidseitig mit der Isoliereinrichtung 10 umgebene Heizeinheit 100 befindet
sich nach dem Einsetzen in den Aufnahmehohlraum 20 zwischen der
zweiten Oberfläche 25 und
der Andruckfläche 27.
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Die
zweite Oberfläche 25 und
die Andruckfläche 27 sind
identisch geformt und derart ausgebildet, dass sie auf Oberflächen der
Heizeinheit 100 vollflächig
passen, so dass die Leisten oder ersten Führungseinrichtungen 6 des
Rahmens 2 über
die zweite Oberfläche 25 bzw.
die Andruckfläche 27 hervorstehen.
In diesem Bereich, also zwischen der zweiten Oberfläche 25 und
der Andruckfläche 27 zu
einer Außenseite
des Wärmetauscherkörpers 200 hin
gerichtet, sind Ausnehmungen 28 vorgesehen, in denen die Leisten
oder ersten Führungseinrichtungen 6 des Rahmens 2 der
Heizeinheit 100 Platz finden. In den Ausnehmungen 28 sind
in den Aufnahmehohlraum 20 ragende weitere Rippen 29 als
zweite Führungseinrichtungen 29 vorgesehen,
die mit den ersten Führungseinrichtungen 6 des
Rahmens 2 derart zusammenwirken, daß die Heizeinheit 100 in
eine definierte Position in den Aufnahmehohlraum 20 einsetzbar
ist. Dabei weisen die weiteren Rippen 29 beim Einsatz einer
Heizeinheit gemäß der ersten
Ausführungsform jeweils
in einen Bereich ihres Rahmens, der sich zwischen den Rasthaken 9 sowie
den Winkelstücken 8 und
den Leisten 6 ergibt.
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Möglich wäre es bei
entsprechender Ausbildung der Ausnehmungen 28 und des Rahmens 2, dass
nach dem Einbringen der Heizeinheit 100 die weiteren Rippen 29 auch
außerhalb
des Rahmens angeordnet sind.
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Beim
Wärmetauscherkörper 200 gemäß der ersten
Ausführungsform
ist die Wandstärke
im Bereich zwischen der zweiten Oberfläche 25 und der weiteren
Rippe 29 kleiner als die Wandstärke im Bereich der zweiten
Oberfläche 25 und
die Wandstärke im
Bereich zwischen der weiteren Rippe 29 und der Außenseite
des Wärmetauscherkörpers 200 wiederum
kleiner als die Wandstärke
im Bereich zwischen der zweiten Oberfläche 25 und der weiteren
Rippe 29, so dass die Wandstärke des Wärmetauscherkörpers 200 ab
der zweiten Oberfläche 25 abnimmt.
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Der
Wärmetauscherkörper 200 und
das identisch geformte Andruckelement 26 sind über Verbindungsabschnitte 30, 30' miteinander
verbunden. Der Wärmetauscherkörper 200,
die Verbindungsabschnitte 30, 30' und das Andruckelement 26 sind
im Ausführungsbeispiel
einstückig
ausgebildet. Dies ist am einfachsten durch Fertigung des Wärmetauscherkörpers 200, 26 als
Strangpressteil insbesondere aus Aluminium zu gewährleisten.
Die Fertigung kann in „Meterware" geschehen, so dass
nur noch den zu montierenden Heiz einheiten entsprechend lange Stücke abgesägt werden
müssen,
was die Montage weiter erleichtert und den Preis weiter verringert.
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Die
Verbindungsabschnitte 30, 30' weisen einen V-förmigen Querschnitt
auf, so dass ein knickendes Verbiegen bei Kräften senkrecht zur Oberfläche der
Heizeinheit 100 leicht zu bewerkstelligen ist. Insbesondere
umfassen die Verbindungsabschnitte 30, 30' jeweils ein
Knickelement 31, das über
verdünnte Materialstellen,
die wie Scharniere 32, 33 wirken, mit dem Wärmetauscherkörper 200 bzw.
dem Andruckelement 26 verbunden ist. Bei derartigen Knickelementen
muss zu Gewährleistung
der plastischen Verformung nur eine relativ geringe Kraft aufgewendet
werden, um diese plastische Verformung zu gewährleisten. Darüber hinaus
kann auf diese Weise sichergestellt werden, dass das Material sich
an genau der Stelle verformt, die vom Konstrukteur gewünscht wird.
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Zwischen
dem als Biegeelement 34 wirkenden innersten Teil des Verbindungsabschnitts 30 und den
Scharnieren 32, 33 liegen relativ steife Verbindungsabschnitte 35, 36.
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Der
Wärmetauscherkörper 200 gemäß der zweiten
Ausführungsform
und 5 unterscheidet sich in seiner Ausgestaltung von
dem gemäß der ersten
Ausführungsform
dadurch, dass in den Ausnehmungen 28 keine weiteren Rippen 29 vorgesehen sind.
Ansonsten beziehen sich die Bezugszeichen in der 5 auf
gleiche und gleich wirkende Teile wie in der ersten Ausführungsform.
Eine abnehmende Wandstärke
im Bereich zwischen der zweiten Oberfläche 25 und der Außenseite
des Wärmetauscherkörpers 200 kann
auch bei dieser Ausführungsform von
Vorteil sein.
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Bei
der Heizeinheit 100 gemäß der zweiten Ausführungsform
und 6 sind im Gegensatz zur ersten Ausführungsform
die Rasthaken 9 und die Winkelstücke 8 am Rand des
Rahmens 2 angeordnet, in denen die Elektroden und die Isoliereinrichtungen
oder nur die Elektroden befestigt und fixiert werden. Auch hier
beziehen sich die Bezugszeichen in der 6 auf gleiche
und gleich wirkende Teile wie in der ersten Ausführungsform.
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Um
die Heizeinheit 100 im Wärmetauscherkörper 200, 26 so
zu montieren, dass die zweite Oberfläche 25 und die Andruckfläche 27 fest
auf den Oberflächen
der Heizeinheit 100 anliegen, wird gemäß 4 und gemäß 7,
die eine Heizeinrichtung mit einem Wärmetauscherkörper und
einer Heizeinheit jeweils nach der zweiten Ausführungsform zeigt, mit Presswerkzeugen 40, 42 gearbeitet,
die im Bereich der Ausnehmungen 28 auf die Oberfläche 22 des
Wärmetauscherkörpers 200 bzw.
auf die entsprechende Oberfläche
des Andruckelementes 26 angreifen können. Der Druck zur Verformung
wird also außerhalb
des Bereiches der Heizeinheit 100 aufgebracht, so dass
die notwendige, geringfügige Überdehnung
der Verbindungsabschnitte 30, 30' gefahrlos für die Heizeinheit 100 erfolgen
kann. Eine gewisse Überdehnung
ist nämlich
notwendig, da die Knickelemente 31 auch bei plastischer
Verformung etwas zurückfedern
können
und damit auch bei einer Erwärmung
des Wärmetauscherkörpers 200, 26 eine ausreichende
Federwirkung erhalten bleibt.
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Werden
diese Presswerkzeuge aufeinander zubewegt, nähern sich die zweite Oberfläche 25 und die
Andruckfläche 27 den
Oberflächen
der Heizeinheit 100, bis sie zur Auflage kommen.
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Dabei
verbiegen sich die Knickelemente 31, wie dies schematisiert
auch in den 8 und 9 dargestellt
ist. Auf den Wärmetauscherkörper 200 und
das Andruckelement 26, insbesondere bei einer Ausgestaltung
mit abnehmender Wandstärke
wird kein Biegemoment ausgeübt,
so dass deren Verformung durch zusätzliche, den Anpressdruck nicht
verstärkende
Kräfte
verhindert wird. Die Flächen,
auf denen die Heizeinheit 100 aufliegt, werden somit nicht gebogen,
was den Wärmeübergang
dauerhaft verbessert.
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Dadurch,
dass das Knickelement 31 in eine Ausnehmung des Wärmetauscherkörpers 200, 26 hineinragt,
wird der Einbau des Wärmetauscherkörpers 200, 26 erleichtert.
Durch die Vorformung der Knickelemente 31 mit V- oder U-förmiger Querschnitt ist
eine präzise
Verformung der Verbindungsabschnitte 30, 30' mit einfachen
Mitteln möglich.
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Alternativ,
gegebenenfalls auch zusätzlich
zu den Presswerkzeugen 40–43, die senkrecht
zur Oberfläche
der Heizeinheit 100 verfahren werden, ist es auch möglich, mit
Presswerkzeugen 44, 45 (siehe 4,
bzw. 5) zu arbeiten, welche direkt in die Verbindungsabschnitte 30, 30' bzw. die Knickelemente 31 eingreifen
und parallel zu den Oberflächen der
Heizeinheit 100 aufeinander zubewegt werden. Bei dieser
Kraftbeaufschlagung wird der Knickwinkel α (siehe 4, bzw. 5)
der Knickelemente 31 ebenfalls verringert, so dass die
zweite Oberfläche 25 und
die Andruckfläche 27 auf
die Oberflächen
der Heizeinheit 10 aufgedrückt werden.
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Gemäß 10 weist
die so gefertigte Heizeinrichtung mit einem Wärmetauscherkörper 200, 26 und
einer Heizeinheit 100 jeweils gemäß der ersten Ausführungsform
in dem Aufnahmehohlraum 20 die Heizeinheit 100,
wobei die Elektroden 3 mit einer Isoliereinrichtung 10,
insbesondere mit einer Isolierfolie, abgedeckt sind, und den Aufnahmehohlraum 20 an beiden
Enden verschließende
Kunststoff-Formteile 11 auf. Durch ein Kunststoff-Formteil
sind die mit den Anschlussfahnen 4, 5 verbundenen
Leitungen 12, 13 nach außen geführt. Die Kunststoff-Formteile 11,
welche den Aufnahmehohlraum 20 verschließen, können somit
gleichzeitig dazu dienen, die Heizeinheit 100 vor dem Verformungsvorgang
bzw. während
des Verformens in justierter Position zu halten.
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Jede
der beschriebenen Heizeinheiten 100 kann in den einen oder
den anderen beschriebenen Wärmetauscherkörper 200, 26 eingebracht
werden.
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- 100
- Heizeinheit
- 1
- Heizelement,
PTC-Element
- 2
- Rahmen
- 3
- Stromzufuhreinrichtungen,
Elektroden
- 4
- Anschlussfahne
- 5
- Anschlussfahne
- 6
- erste
Führungseinrichtung,
Leiste
- 7
- Separierungseinrichtungen,
Fenster
- 8
- Winkelstück
- 9
- Rasthaken
- 10
- Isoliereinrichtung
- 11
- Kunststoff-Formhaken
- 12
- Leitung
- 13
- Leitung
- 14
- dritte
Führungseinrichtung,
Leiste
- 200
- Wärmetauscherkörper
- 20
- Aufnahmehohlraum
- 21
- Rippe
- 22
- erste
Oberfläche
- 25
- zweite
Oberfläche
- 26
- Andruckelement
- 27
- Andruckfläche
- 28
- Ausnehmung
- 29
- zweite
Führungseinrichtung,
weitere Rippe
- 30,
30'
- Verbindungsabschnitt
- 31
- Knickelement
- 32
- Scharnier
- 33
- Scharnier
- 34
- Biegeelement
- 35
- Verbindungsabschnitt
- 36
- Verbindungsabschnitt
- 40–45
- Presswerkzeug