DE102008056991B4

DE102008056991B4 - Elektrische Heizung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102008056991B4
Application number: DE102008056991.7A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Thiemann
Original assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Current assignee: Behr Hella Thermocontrol GmbH
Priority date: 2008-11-12
Filing date: 2008-11-12
Publication date: 2021-12-02
Anticipated expiration: 2028-11-13
Also published as: DE102008056991A1

Abstract

Elektrische Heizung für ein Fahrzeug mit- einem Luftzufuhrkanal (10) zum Leiten von Luft in den Innenraum eines Fahrzeugs,- einem in dem Luftzufuhrkanal (10) angeordneten, ein ferromagnetisches Material (14) aufweisendes Heizelement (12) zum Erwärmen von durch den Luftzufuhrkanal (10) strömender Luft und- einer Magnetfeld-Erzeugungseinheit (22) zur Erzeugung eines wechselnden Magnetfelds, in dem das Heizelement (12) angeordnet ist,- wobei durch das Magnetfeld in das ferromagnetische Material (14) des Heizelements (12) Wirbelströme zum Erwärmen des Heizelements (12) induzierbar sind, dadurch gekennzeichnet ,- dass die Magnetfeld-Erzeugungseinheit (22) einen ortsfesten elektrischen Spulenkörper (24) aufweist, an den eine Wechselspannung anlegbar ist, und- dass das Heizelement (12) neben dem ferromagnetischen Material (14) ferner ein weiteres nicht ferromagnetisches Wärmeleitmaterial (16) aufweist, das mit dem ferromagnetischen Material (14) thermisch gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizung für ein Fahrzeug.
Elektrische Heizungen für Fahrzeuge sind z. B. in Form von Zusatzheizungen grundsätzlich bekannt und werden eingesetzt, um dem Fahrzeuginnenraum bereits auch dann erwärmte Luft zuführen zu können, wenn der vom Kühlwasser betriebene Wärmetauscher wegen (noch) zu niedriger Temperaturen noch keine ausreichende Wärme abgibt. Derartige elektrische Heizungen werden darüber hinaus auch bei Elektro-Fahrzeugen und bei Fahrzeugen mit Hybridantrieb eingesetzt.
Die bekannten elektrischen Fahrzeugheizungen weisen Widerstandsheizelemente in Form von PTC-Elementen auf, die zwischen Metalllamellen angeordnet in einem Lüftungskanal untergebracht sind, der von dem Fahrzeuginnenraum zuzuführender Luft durchströmt wird. Nachteilig bei den bekannten elektrischen Fahrzeugheizungen ist, dass sie aufwendig elektrisch isoliert und berührungssicher sein müssen. Dies gilt insbesondere bei Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen, die über ein Hochvoltbordnetz von einigen 100 Volt verfügen.
Aus US 4 511 777 A ist eine elektrische Heizung bekannt, bei der ein in einem Luftstrom angeordnetes Heizelement aus ferromagnetischem Material durch induzierte Wirbelströme erwärmt wird. Das Heizelement befindet sich in einem rotierenden Magnetfeld, das von Permanentmagneten erzeugt wird, die in einer rotierenden Scheibe angeordnet sind. Ein Magnetheizgerät zur Erwärmung eines um eine Flüssigkeitsleitung herum angeordneten Heizelements durch Induktionswärme mit Hilfe von um das Heizelement herum rotierenden Permanentmagneten ist aus DE 199 21 320 C2 bekannt.
In DE 33 41 891 A1 ist die Kopplung einer Brennkraftmaschine mit einer Induktionsmaschine beschrieben. Die Induktionsmaschine weist einen Stator mit Kurzschlusswicklung auf. Neben dem Stator weist die Induktionsmaschine auch einen Rotor auf.
Diverse Vorrichtungen, bei denen zur Erzeugung von Wärme durch Induktion ein ortsfester Spulenkörper verwendet wird, an den eine Wechselspannung angelegt wird, sind in DE 693 22 814 T2 , US 2003 / 0 086 839 A1 , US 6 144 020 A , US 5 914 065 A , US 3 534 197 A und „HERWIG, Heinz: Wärmeübertragung A-Z. 1. Auflage. Berlin; Heidelberg; New York. Springer-Verlag, 2000, 407 S. - ISBN 978-3-642-63106-1‟ beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine betriebssichere und einfach zu installierende elektrische Heizung für Fahrzeuge zu schaffen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine elektrische Heizung für ein Fahrzeug vorgeschlagen, die versehen ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Mit der Erfindung wird also eine elektrische Heizung vorgeschlagen, bei der das Heizelement keine galvanische Verbindung zur Ansteuerelektronik aufweist, was die Montage und elektronische Isolation vereinfacht. Insbesondere brauchen keine elektrischen Verbindungsleitungen wie Kabel oder dergleichen bis in den Lüftungskanal verlegt werden. Vielmehr kann das Heizelement ohne Elektroverbindung in dem Lüftungskanal untergebracht werden, was den Vorteil der Vormontage der Elektroheizung in dem Lüftungskanal hat.
Darüber hinaus ist die Anzahl an Komponenten der erfindungsgemäßen Heizung gegenüber einer Widerstandsheizung nach dem Stand der Technik geringer. Während eine herkömmliche Widerstandsheizung eine Ansteuerelektronik, (PTC-)Heizelemente, einen Kühlkörper oder Wellrippen, die die Wärme an die Luft abgeben, und Steckverbinder zwischen Ansteuerelektronik und Heizelementen aufweist, benötigt die erfindungsgemäße Induktionsheizung lediglich eine Ansteuerelektronik und das (Induktions-)Heizelement, das ferromagnetisches Material aufweist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass das Heizelement selbst vollständig spannungslos ist und die Ansteuerelektronik komplett gekapselt sein kann.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die einen ortsfesten Spulenkörper aufweisende Magnetfeld-Erzeugungseinheit außerhalb des Lüftungskanals angeordnet ist. Der elektrische Spulenkörper ist von einem seine Richtung alternierend ändernden elektrischen Strom durchflossen, wobei ein wechselndes Magnetfeld erzeugt wird, in dem das ferromagnetische Material des Heizelements angeordnet ist.
Ferner weist das Heizelement der erfindungsgemäßen elektrischen Heizung ein thermisch leitendes Material (z. B. Metall) auf, mit dem das ferromagnetische Material des Heizelements thermisch gekoppelt ist. Die infolge induzierter Wirbelströme in dem ferromagnetischen Material erzeugte Wärme wird unter anderem über das wärmeleitende Material an die Umgebung abgegeben. Das Heizelement weist dazu zweckmäßigerweise eine vergrößerte Oberfläche auf (z. B. in Form von Kühlrippen oder dergleichen), an der die durch den Lüftungskanal strömende Luft entlangstreicht.
Es ist bekannt, dass ferromagnetische Materialien oberhalb einer materialspezifischen Temperatur, nämlich der Curie-Temperatur, ihre ferromagnetischen Eigenschaften verlieren. Dies kann bei der Erfindung genutzt werden, um eine Überhitzung des Heizelements zu verhindern, womit sicherheitsrelevanten Erfordernissen einer elektrischen Fahrzeugheizung Genüge geleistet werden kann. Ferromagnetische Materialien mit einer Curie-Temperatur ab z. B. 50°C sind bekannt. Für die Anwendung als Heizelement einer Fahrzeugheizung kommen mit Vorteil insbesondere ferromagnetische Materialien mit einer Curie-Temperatur zwischen 120° und 150° in Frage, die den temperaturrelevanten Sicherheitsanforderungen in einem Fahrzeug Rechnung tragen.
Die für die Erfindung wesentlichen Gesichtspunkte lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Die den Lüftungskanal durchströmende Luft wird mittels eines Heizelements mit ferromagnetischem Material erwärmt, welches einem wechselnden Magnetfeld (Induktionsfeld) ausgesetzt ist.
2. Das Heizelement weist ein ferromagnetisches Material wie z. B. Eisen, Nickel oder weiteren anderen Metall-Legierungen auf.
3. Das Heizelement kann eine Kombination aus einem ferromagnetischen Material und einem weiteren thermisch gut leitenden z. B. metallischen Material (Aluminium) aufweisen. Beide Materialien sind thermisch gut gekoppelt.
4. Das thermisch gut angekoppelte Material (z. B. Aluminium) kann die Wärme über eine große Oberfläche an die Luft abgeben.
5. Abhängig von der Umgebung, können ferromagnetische Materialien mit angepasster Curie-Temperatur eingesetzt werden, um ungewollte Überhitzungen zu vermeiden. Das ferromagnetische Material verliert ab der Curie-Temperatur sein magnetisches Verhalten und kann sich somit nicht weiter erwärmen.
6. Ferromagnetische Materialien existieren schon ab 50°C Curie-Temperatur.
7. Das ferromagnetische Material kann in dünnen Schichten auf den Wärmeverteiler (z. B. Aluminium) aufgebracht werden.
8. Die Heizung kann sowohl als Gitter wie auch als Flächenkörper gestaltet sein.
9. Die Elektronik zur Ansteuerung der Induktionsspule kann innerhalb oder außerhalb des Luftzuführkanals angeordnet sein.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel gezeigt ist, näher erläutert.
In der Zeichnung ist perspektivisch und teilweise aufgebrochen ein Teil eines Lüftungskanals 10 einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage gezeigt, in dem ein Heizelement 12 angeordnet ist. Das Heizelement 12 weist eine ferromagnetische Schicht 14 auf, mit der ein thermisch leitendes Material 16, wie z. B. ein Aluminiumlegierungsmaterial oder ein anders metallisches Material thermisch gekoppelt ist, das durch Ausbildung von Vorsprüngen 18 oder dergleichen dem Heizelement 12 eine vergrößerte Oberfläche 20 verleiht.
Durch den Luftzufuhrkanal 10 strömt in den Innenraum des Fahrzeugs zuzuführende Luft, wobei der Luftstrom z. B. durch ein (nicht dargestelltes) Gebläse erzeugt wird.
Außerhalb des Luftzufuhrkanals 10 befindet sich eine Magnetfeld-Erzeugungseinheit 22, die einen von einem (Wechsel-)Strom durchflossenen und möglichst nahe zur ferromagnetischen Schicht 14 angeordneten Spulenkörper 24 aufweist und ein wechselndes Magnetfeld 26 erzeugt. Der Spulenkörper 24 wird durch eine Ansteuereinheit 28 der Magnetfeld-Erzeugungseinheit 22 angesteuert. Die Magnetfeldlinien des Spulenkörpers 24 verlaufen durch die ferromagnetische Schicht 14, wobei das alternierende Magnetfeld 26 in der ferromagnetischen Schicht 14 des Heizelements 12 Wirbelströme induziert, die in Wärme umgesetzt werden, welche über die vergrößerte Oberfläche 20 des Heizelements 12 an die Luftströmung abgegeben wird. Die Frequenz des Magnetfelds liegt z. B. typischerweise bei 25 bis 50 kHz.
Das ferromagnetische Material 14 sollte einen ausreichend höheren spezifischen Widerstand aufweisen als das Material, aus dem der Spulenkörper 24 besteht (z. B. Kupfer), was bei Induktionsheizungen grundsätzlich bekannt ist. Dies ist z. B. bei Eisen als ferromagnetisches Material 14 der Fall. Alternative ferromagnetische Materialien sind z. B. Cobalt und Nickel.
Der Spulenkörper 24 bildet mit (nicht dargestellten) Kondensatoren einen Schwingkreis, der z. B. von IGBT-Transistoren angesteuert und angetrieben werden kann. Hierzu existieren im Stand der Technik entsprechende Schaltungskonzepte. Die Schaltungstransistoren werden z. B. mit im Resonanzkreis liegenden Stromwandlern gesteuert und aus einer Gleichspannung gespeist. Eine Pulsweitensteuerung ermöglicht die Leistungsregelung des Resonanzkreises. Die Störemissionen sind beherrschbar. Induktionsfelder arbeiten im unteren Langwellenbereich und emittieren elektromagnetische Wellen bei diesen Frequenzen. Die Arbeitsfrequenz liegt jedoch unterhalb ziviler Langwellensender und auch unterhalb der unteren Messgrenze zur Prüfung der elektromagnetischen Störaussendung (150 kHz). Weitere Störungen bei höheren Frequenzen werden durch die Leistungshalbleiter (IGBT) erzeugt; sie sollten hinsichtlich Netzrückwirkung (leitungsgebundene Störungen) und Abstrahlung so gering wie auch bei anderen Anwendungen im Kfz sein. Durch die Anwendungen eines Ferromaterials mit einer Curie-Temperatur zwischen 120°C und 160°C kann die magnetische Maximaltemperatur des Heizkörpers automatisch begrenzt werden.
Bezugszeichenliste

10: Luftzufuhrkanal
12: Heizelement
14: ferromagnetische Schicht
16: wärmeleitendes Material
18: Vorsprünge
20: Oberfläche des Heizelements
22: Magnetfeld-Erzeugungseinheit
24: Spulenkörper
26: Magnetfeld
28: Ansteuereinheit

Claims

Elektrische Heizung für ein Fahrzeug mit - einem Luftzufuhrkanal (10) zum Leiten von Luft in den Innenraum eines Fahrzeugs, - einem in dem Luftzufuhrkanal (10) angeordneten, ein ferromagnetisches Material (14) aufweisendes Heizelement (12) zum Erwärmen von durch den Luftzufuhrkanal (10) strömender Luft und - einer Magnetfeld-Erzeugungseinheit (22) zur Erzeugung eines wechselnden Magnetfelds, in dem das Heizelement (12) angeordnet ist, - wobei durch das Magnetfeld in das ferromagnetische Material (14) des Heizelements (12) Wirbelströme zum Erwärmen des Heizelements (12) induzierbar sind, dadurch gekennzeichnet , - dass die Magnetfeld-Erzeugungseinheit (22) einen ortsfesten elektrischen Spulenkörper (24) aufweist, an den eine Wechselspannung anlegbar ist, und - dass das Heizelement (12) neben dem ferromagnetischen Material (14) ferner ein weiteres nicht ferromagnetisches Wärmeleitmaterial (16) aufweist, das mit dem ferromagnetischen Material (14) thermisch gekoppelt ist.
Elektrische Heizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (12) eine Struktur und/oder Geometrie zur Vergrößerung seiner einer Luftströmung in dem Luftzufuhrkanal (10) aussetzbaren Oberfläche aufweist.
Elektrische Heizung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeld-Erzeugungseinheit (22) außerhalb des Luftzufuhrkanals (10) und/oder außen an dem Luftzufuhrkanal (10) angeordnet ist.
Elektrische Heizung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das ferromagnetische Material (14) eine Curie-Temperatur unterhalb einer vorgegebenen sicherheitskritischen Höchsttemperatur aufweist.
Elektrische Heizung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sicherheitskritische Höchsttemperatur zwischen 100° und 160° liegt.