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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Fahrzeugheizvorrichtung, insbesondere eine elektrische Fahrzeugheizvorrichtung, die zum elektrischen Beheizen einer Flüssigkeit ausgebildet ist.
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Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Straßenfahrzeugen, ist es üblich, eine Fahrzeug-Heizvorrichtung bereitzustellen, mit der ein Beheizen einer Fahrgastzelle und gegebenenfalls weiterer Bereiche ermöglicht wird. In herkömmlichen Straßenfahrzeugen wird zu diesem Zweck üblicherweise die Abwärme von einem Verbrennungsmotor genutzt, die über eine Motorkühlflüssigkeit und einen Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher zu einem Teil auf Luft übertragen wird, die einem Innenraum zu dessen Konditionierung zugeführt wird.
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Insbesondere aufgrund der Entwicklung von verbrauchsoptimierten kraftstoffbetriebenen Antriebsmotoren, bei denen die Abwärme in vielen Betriebszuständen nicht mehr zu einer ausreichenden Beheizung des Innenraums ausreicht, werden in immer größerem Umfang Zuheizer verbaut, die zusätzlich Heizleistung bereitstellen. Ferner findet vermehrt eine Entwicklung von Elektrofahrzeugen, die rein elektrisch angetrieben werden, und sogenannten Hybrid-Fahrzeugen, die sowohl einen elektrischen Antriebsmotor als auch einen Verbrennungsmotor aufweisen, statt. Auch bei diesen Fahrzeugen stellen die Antriebskomponenten zumindest bei vielen Betriebszuständen keine ausreichende Wärme zur Beheizung eines Fahrzeuginnenraums bereit.
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Es kommen immer häufiger elektrische Heizvorrichtungen zum Einsatz, die unter Aufnahme von elektrischer Energie Wärmeenergie bereitstellen. Als elektrische Heizvorrichtungen kommen dabei insbesondere Widerstandsheizer zum Einsatz, die elektrische Energie in ohmsche Wärme umsetzen. Besonders häufig werden sogenannte PTC-Heizelemente eingesetzt, die eine Widerstands-Temperatur-Charakteristik aufweisen, die im Bereich eines Arbeitspunkts einen steilen Anstieg des elektrischen Widerstands bei ansteigender Temperatur zeigt. Diese üblicherweise keramischen PTC-Heizelemente weisen dabei weitestgehend selbstregelnde Eigenschaften auf, die aufgrund der Widerstands-Temperatur-Charakteristik ein zu starkes Erhitzen über vorgegebene Grenztemperaturen verhindern. Die elektrischen Widerstandsheizelemente werden dabei herkömmlich derart angeordnet, dass eine elektrische Spannung führende Komponenten in unmittelbarem Kontakt mit Luft stehen, die einem Innenraum des Fahrzeugs zugeführt wird. Neben der unmittelbaren Beheizung von Luft ist es z. B. auch möglich eine Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs elektrisch zu beheizen und gegebenenfalls in einem Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher anschließend Wärme auf zu beheizende Luft zu übertragen.
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DE 197 06 199 A1 beschreibt eine elektrische Luft-Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit mehreren zu einem Block zusammengesetzten, parallel angeordneten Heizelementen, die aus zwei Blechen und zwischen diesen gehaltenen PTC-Elementen gebildet sind, und Wellrippen, die an den Blechen in wärmeleitender Verbindung liegen. Um eine möglichst gleichmäßige Verspannung der PTC-Elemente und Bleche bei gleichzeitig einfacher Montage zu erzielen, werden Spannmittel beschrieben, die sämtliche PTC-Elemente und Bleche in einem Block gegeneinander verspannen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Fahrzeugheizvorrichtung zum Beheizen einer Flüssigkeit bereitzustellen, mit der eine zuverlässige thermische Ankopplung und eine zuverlässige mechanische Fixierung eines elektrischen Heizelements in verschiedensten Betriebszuständen erreicht werden.
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Die Aufgabe wird durch eine elektrische Fahrzeugheizvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die elektrische Fahrzeugheizvorrichtung weist auf: zumindest ein elektrisches Heizelement, das elektrische Leistung in Heizleistung umsetzt und zumindest ein erstes Rohr zum Führen einer mit dem elektrischen Heizelement zu beheizenden Flüssigkeit. Eine erste Oberfläche des elektrischen Heizelements liegt an einer Oberfläche des ersten Rohres an. Das erste Rohr ist derart elastisch deformiert, dass die Oberfläche des ersten Rohres gegen die erste Oberfläche des elektrischen Heizelements gespannt ist.
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Die zu beheizende Flüssigkeit kann z. B. eine Motorkühlflüssigkeit, eine Temperierflüssigkeit in einem Batteriekreislauf eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs oder eine andere Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs sein. Das erste Rohr kann dabei verschiedene Querschnittsformen aufweisen, ist insbesondere nicht auf einen runden, ovalen, rechteckigen, etc. Querschnitt beschränkt. Obwohl zumindest ein elektrisches Heizelement und zumindest ein Rohr zum Führen einer zu beheizenden Flüssigkeit vorgesehen sein müssen, können bevorzugt eine Mehrzahl von Rohren zum Führen von zu beheizender Flüssigkeit und eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen vorgesehen sein. Das elektrische Heizelement kann bevorzugt dazu ausgebildet sein, elektrische Energie in ohmsche Wärme umzusetzen. Das elektrische Heizelement kann bevorzugt durch ein PTC-Element gebildet sein, z. B. durch ein Hochvolt-PTC-Element, das dazu ausgebildet ist, mit einer Betriebsspannung > 50 Volt betrieben zu werden. Das Anliegen der ersten Oberfläche des elektrischen Heizelements an einer Oberfläche des ersten Rohres kann z. B. dadurch realisiert sein, dass das Wärme freisetzende Element unmittelbar an der Oberfläche des Rohres anliegt. Es ist jedoch bevorzugt, dass eine wärmeleitfähige elektrische Isolierung zwischen spannungsführenden Komponenten des elektrischen Heizelements und dem Rohr vorgesehen ist. Die elektrische Isolierung kann dabei z. B. in das elektrische Heizelement integriert sein oder durch eine Struktur, wie z. B. eine elektrisch isolierende Folie, gebildet sein, die zwischen dem elektrischen Heizelement und dem Rohr angeordnet ist. Unter „elastisch deformiert” wird vorliegend ein Zustand verstanden, bei dem das Rohr ausgehend von einer Ausgangsform deformiert wurde und eine rückstellende Kraft vorhanden ist, die dazu führt, dass das Rohr dazu strebt, wieder in die Ausgangsform zurückzukehren. Die rückstellende Kraft kann dabei z. B. durch das Material des Rohres selbst aufgebracht werden oder z. B. auch durch ein (z. B. im Inneren des Rohres angeordnetes) Federelement. Es ist zu beachten, dass nicht zwingend eine vollständig elastische Deformation gegeben sein muss, sondern dass auch ein nicht-elastischer Deformationsanteil vorhanden sein kann.
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Da die Oberfläche des ersten Rohres gegen die erste Oberfläche des elektrischen Heizelements gespannt ist, werden das elektrische Heizelement und das Rohr zum Führen der zu beheizenden Flüssigkeit gegeneinander gedrückt. In dieser Weise werden gleichzeitig eine gute thermische Kontaktierung zwischen dem elektrischen Heizelement und dem Rohr und eine gute mechanische Fixierung des elektrischen Heizelements bereitgestellt. Da die Spannung, mit der das elektrische Heizelement und das Rohr gegeneinander gedrückt werden, durch die elastische Deformation des Rohres bereitgestellt wird, ist kein zusätzliches eine solche Spannung aufbringendes Element erforderlich. Da die Spannung durch die elastische Deformation des Rohres aufgebracht wird, wird auch bei thermischen Längenänderungen im Betrieb lokal eine gute thermische Kontaktierung zuverlässig aufrechterhalten. Dies ist insbesondere auch dann von Vorteil, wenn eine Mehrzahl von Rohren zum Führen der zu beheizenden Flüssigkeit und eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen vorgesehen sind. Da die Rohre zum Führen der zu beheizenden Flüssigkeit zur Einbindung in einen Flüssigkeitskreislauf üblicherweise fest in einen sogenannten Rohrboden bzw. Sammelkasten eingebunden werden, würde eine Verspannung von einer Mehrzahl von Rohren in einem Rahmen durch ein einziges separates Spannelement zudem zu Problemen führen bzw. wäre nicht sinnvoll realisierbar. Dieses Problem wird durch die Nutzung der elastischen Deformation der flüssigkeitsführenden Rohre vermieden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist zwischen elektrische Spannung führenden Komponenten des elektrischen Heizelements und dem ersten Rohr zumindest eine elektrische Isolierung vorgesehen. Die elektrische Isolierung kann dabei z. B. durch elektrische Isolierungsschicht gegeben sein, die ein integraler Bestandteil des elektrischen Heizelements ist, z. B. eine elektrisch isolierende Schicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit in dem Bereich der Oberfläche des elektrischen Heizelements. Die elektrische Isolierung kann z. B. aber auch durch eine elektrisch isolierende Struktur, z. B. eine Folie, zwischen dem elektrischen Heizelement und dem Rohr bereitgestellt sein. Es ist z. B. auch eine mehrstufige elektrische Isolierung mit mehreren Isolierungsschichten möglich, solange dadurch nicht die Wärmeauskopplung von dem elektrischen Heizelement zu stark beeinträchtigt wird. Durch das Vorsehen der elektrischen Isolierung kann zuverlässig verhindert werden, dass hohe elektrische Spannungen über das Rohr oder die zu beheizende Flüssigkeit in einen Sicherheitsbereich des Fahrzeugs, z. B. in die Fahrgastzelle, gelangen können. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn das elektrische Heizelement mit einer hohen Versorgungsspannung (z. B. > 50 Volt) betrieben wird, wie es bei Hochvolt-PTC-Heizelementen der Fall ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die dem elektrischen Heizelement zugewandte Oberfläche des ersten Rohres so ausgebildet, dass sie im nicht elastisch deformierten Zustand eine konvexe Form aufweist. Dabei kann die Ausgestaltung insbesondere derart sein, dass die Oberfläche im elastisch deformierten Zustand des Rohres eine im Wesentlichen ebene Kontaktfläche mit dem elektrischen Heizelement bildet. In diesem Fall werden sowohl eine guter Anpressdruck zwischen dem Rohr und dem elektrischen Heizelement als auch eine gleichmäßige Flächenpressung über den gesamten Kontaktbereich zwischen elektrischem Heizelement und Rohr erzielt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das erste Rohr ein dünnwandiges Metallrohr. In diesem Fall kann die rückstellende Kraft bei der elastischen Deformation zuverlässig durch das Material des Rohres bereitgestellt werden. Ferner wird in dieser Weise auch ein guter Wärmeübergang von dem elektrischen Heizelement auf die zu beheizende Flüssigkeit erreicht. Zudem lassen sich dünnwandige Metallrohre zuverlässig und kostengünstig mit aus dem Kühlerbau bekannten Fertigungstechniken verarbeiten. Das dünnwandige Metallrohr kann z. B. aus Edelstahl, Kupfer, Aluminium oder aus einer Kupfer- oder Aluminium-Legierung gefertigt sein. Gemäß einer Ausgestaltung weist das Metallrohr eine Wandstärke im Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm auf, bevorzugt zwischen 0,075 mm und 0,6 mm, mehr bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,3 mm. Insbesondere bei Wandstärken in diesem Bereich wird ein guter Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität, ausreichendem Anpressdruck und guter thermischer Ankopplung erzielt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist zumindest ein zweites Rohr zum Führen einer zu beheizenden Flüssigkeit vorgesehen, eine zweite Oberfläche des elektrischen Heizelements liegt an einer Oberfläche des zweiten Rohres an und das zweite Rohr ist derart elastisch deformiert, dass die Oberfläche des zweiten Rohres gegen die zweite Oberfläche des elektrischen Heizelements gespannt ist. In diesem Fall wird von dem elektrischen Heizelement die Wärme effizient an zwei flüssigkeitsführende Rohre abgeführt und bei beiden Kontaktoberflächen ist ein guter thermischer und mechanischer Kontakt gewährleistet. Die zweite Oberfläche des elektrischen Heizelements kann, insbesondere in dem Fall eines PTC-Heizelements, bevorzugt eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche sein. Insbesondere in diesem Fall wird eine bei PTC-Heizelementen bevorzugte symmetrische Wärmeabfuhr erreicht. Durch die zweiseitige Verspannung wird der erforderliche Anpressdruck besonders zuverlässig bereitgestellt. Diese Anordnung eignet sich insbesondere auch für eine alternierende Anordnung einer Vielzahl von Rohren und einer Mehrzahl von PTC-Heizelementen.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen, die jeweils eine erste Oberfläche und eine dieser gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweisen, und eine Mehrzahl von Rohren zum Führen einer zu beheizenden Flüssigkeit vorgesehen. Die erste Oberfläche eines elektrischen Heizelements liegt jeweils an einer Oberfläche eines Rohres, das derart elastisch deformiert ist, dass die Oberfläche des Rohres gegen die erste Oberfläche des jeweiligen elektrischen Heizelements gespannt ist. Die zweite Oberfläche des elektrischen Heizelements liegt jeweils an einer Oberfläche eines weiteren Rohres an, das derart elastisch deformiert ist, dass die Oberfläche des weiteren Rohres gegen die zweite Oberfläche des jeweiligen elektrischen Heizelements gespannt ist. Es kann dabei zwischen zwei benachbarten Rohren eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen vorgesehen sein, es ist aber auch möglich, dass zwischen zwei benachbarten Rohren jeweils nur ein elektrisches Heizelement vorgesehen ist. Die elektrischen Heizelemente und die Rohre können dabei bevorzugt jeweils gleich ausgebildet sein, insbesondere so, wie oben in Bezug auf das elektrische Heizelement und in Bezug auf das erste Rohr beschrieben. Mit dieser Ausgestaltung können mehrere elektrische Heizelemente und mehrere Rohre jeweils alternierend in Form von einer oder mehreren Ketten bzw. Reihen angeordnet werden und es wird dabei sichergestellt, dass jeweils zuverlässig ein ausreichender Anpressdruck zwischen den elektrischen Heizelementen und den Rohren bereitgestellt ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist zwischen zwei Rohren zum Führen von zu beheizender Flüssigkeit eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen angeordnet. In diesem Fall kann die Wärme von mehreren elektrischen Heizelementen auf die in den jeweiligen Rohren strömende Flüssigkeit übertragen werden. Die elektrischen Heizelemente können dabei z. B. bezüglich der in den Rohren strömenden Flüssigkeit in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sein und somit die Flüssigkeit sukzessiv erwärmen. Im Fall von elektrischen PTC-Heizelementen können z. B. zwischen 2 und 10 Heizelementen hintereinander zwischen benachbarten Rohren angeordnet werden, bevorzugt zwischen 2 und 7, mehr bevorzugt zwischen 2 und 5.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Rahmen vorgesehen, der als Gegenlager zur Aufrechterhaltung der elastischen Deformation des zumindest einen Rohres ausgebildet ist. Der Rahmen kann dabei insbesondere dazu ausgebildet sein, ein Mehrzahl von Rohren und eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen aufzunehmen. Der Rahmen kann dabei z. B. insbesondere auch dazu ausgebildet sein, die freien Enden einer Mehrzahl von Rohren fest aufzunehmen und zu fixieren. Der Rahmen kann dabei z. B. gleichzeitig auch dazu ausgebildet sein, die zu beheizende Flüssigkeit auf eine Mehrzahl von Rohren zu verteilen und beheizte Flüssigkeit von einer Mehrzahl von Rohren wieder zusammenzuführen. Dazu können z. B. entsprechende Sammelbehälter bzw. Rohrböden in den Rahmen integriert sein oder der Rahmen kann durch diese gebildet sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind eine Mehrzahl von Rohren zum Führen von zu beheizender Flüssigkeit und eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen vorgesehen und Rohre und elektrische Heizelemente sind jeweils abwechselnd angeordnet. In diesem Fall können eine oder mehrere Reihen, die abwechselnd Rohre und elektrische Heizelemente aufweisen, ausgebildet werden. Solche Reihen können bevorzug in einem gemeinsamen Rahmen aufgenommen sein. In dieser Weise wird eine besonders kompakte Gestaltung erreicht, die auch einen Einbau in einen beschränkten Bauraum ermöglicht. Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Reihen vorgesehen, in denen jeweils Rohre und elektrische Heizelemente abwechselnd angeordnet sind. Die Reihen können dabei insbesondere in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Strömungsrichtung in den Rohren und im Wesentlichen senkrecht zu der abwechselnden Anordnung von Rohren und elektrischen Heizelementen nebeneinander angeordnet sein. In diesem Fall kann auf kleinem Raum eine hohe Heizleistung auf die zu beheizende Flüssigkeit übertragen werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist zwischen Rohren von zwei benachbarten Reihen zumindest ein weiteres elektrisches Heizelement vorgesehen, das mit einer ersten Oberfläche an einer Oberfläche des Rohres einer Reihe und mit einer zweiten Oberfläche an einer Oberfläche des Rohres einer benachbarten Reihe anliegt, wobei die entsprechenden Rohre derart elastisch deformiert sind, dass die Oberflächen der Rohre gegen die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche des weiteren elektrischen Heizelements gespannt sind. In diesem Fall wird eine elastische Deformation in zwei Richtungen ausgenutzt, die sich jeweils im Wesentlichen senkrecht zu der Strömungsrichtung erstrecken. Rohre und elektrische Heizelemente können in diesem Fall besonders kompakt in einer Matrix- bzw. Schachbrettanordnung verspannt werden, wobei eine Verspannung in zwei Richtungen erfolgt, die insbesondere senkrecht zueinander verlaufen können. In diesem Fall kann jedem flüssigkeitsführenden Rohr von vier Seiten Wärme von elektrischen Heizelementen zugeführt werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Mehrzahl von Rohren zum Führen von zu beheizender Flüssigkeit vorgesehen und freie Enden der Mehrzahl von Rohren münden jeweils in gemeinsame Sammelkästen, an denen die freien Enden befestigt sind. In diesem Fall werden durch die Sammelkästen eine Verteilung der zu beheizenden Flüssigkeit auf die Mehrzahl von Rohren und ein Zusammenführen beheizter Flüssigkeit bereitgestellt. Es kann dabei z. B. ein Sammelkasten vorgesehen sein, aus dem eine Verteilung der zu beheizenden Flüssigkeit auf sämtliche vorgesehenen Rohre erfolgt. Es ist z. B. aber auch möglich mehrere Sammelkästen vorzusehen, in die jeweils eine Mehrzahl von Rohren mündet, z. B. können bei mehreren Reihen von Rohren und elektrischen Heizelementen jeweils Sammelkästen für die einzelnen Reihen vorgesehen sein. Bevorzugt bilden die Sammelkästen einen Teil eines als Gegenlager für die elastische Deformation dienenden Rahmens. In diesem Fall können die Sammelkästen eine Doppelfunktion übernehmen, nämlich das Verteilen und Sammeln der Flüssigkeit und das Ausbilden eines Gegenlagers für die Aufrechterhaltung der elastischen Deformation.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist das erste Rohr ein der elastischen Deformation entgegenwirkendes Federelement auf. Bei einer Mehrzahl von Rohren zum Führen von zu beheizender Flüssigkeit können an oder in allen Rohren derartige Federelemente angeordnet sein. Mit einer Anordnung von Federelementen kann eine zuverlässige elastische Deformation auch in den Fällen erreicht werden, in denen das Material des Rohres (bzw. der Rohre) selbst keine ausreichende Spannung aufbringt, was z. B. durch das Material selbst, durch die Wandstärke der Rohre oder weitere Faktoren bedingt sein kann. Bei einer Anordnung des Federelementes in dem jeweiligen Rohr kann zudem ferner eine Verwirbelung der Flüssigkeit im Inneren des jeweiligen Rohres hervorgerufen werden, die eine effizientere Wärmeübertragung auf die Flüssigkeit ermöglicht. Zusätzlich kann eine derartige Innenfeder zu einer vorteilhaften Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche von dem Rohr auf die Flüssigkeit genutzt werden, wenn das Federelement thermisch gut an das Material des Rohres angekoppelt ist und eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren.
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1 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils einer elektrischen Fahrzeugheizvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
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2 ist eine schematische Schnittdarstellung in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung in den flüssigkeitsführenden Rohren bei der ersten Ausführungsform.
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3a ist eine schematische Schnittdarstellung durch ein Rohr bei der ersten Ausführungsform im entspannten, nicht deformierten Zustand.
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3b ist eine schematische Schnittdarstellung durch ein Rohr bei der ersten Ausführungsform im elastisch deformierten Zustand.
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4 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils einer elektrischen Fahrzeugheizvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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5 ist eine schematische Schnittdarstellung in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung in den flüssigkeitsführenden Rohren bei der zweiten Ausführungsform.
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6a ist eine schematische Schnittdarstellung durch ein Rohr bei der zweiten Ausführungsform im entspannten, nicht deformierten Zustand.
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6b ist eine schematische Schnittdarstellung durch ein Rohr bei der zweiten Ausführungsform im elastisch deformierten Zustand.
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7 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils einer elektrischen Fahrzeugheizvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
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8 ist eine schematische Schnittdarstellung in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung in den flüssigkeitsführenden Rohren bei der dritten Ausführungsform.
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9a ist eine schematische Schnittdarstellung durch ein Rohr bei der dritten Ausführungsform im entspannten, nicht deformierten Zustand.
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9b ist eine schematische Schnittdarstellung durch ein Rohr bei der dritten Ausführungsform im elastisch deformierten Zustand.
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10 ist eine perspektivische Darstellung eines Teils einer elektrischen Fahrzeugheizvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
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11 ist eine schematische Schnittdarstellung in einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung in den flüssigkeitsführenden Rohren bei der vierten Ausführungsform.
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12 ist eine schematische Schnittdarstellung durch ein Rohr bei der vierten Ausführungsform.
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ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine erste Ausführungsform einer elektrischen Fahrzeugheizvorrichtung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 1, 2, 3a und 3b beschrieben. 1 ist eine schematische perspektivische Darstellung einer elektrischen Fahrzeugheizvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform. Bei der Ausführungsform ist die elektrische Fahrzeugheizvorrichtung 100 zur Beheizung einer Flüssigkeit, die in einem Flüssigkeitskreislauf in einem Fahrzeug zirkuliert wird, ausgestaltet. Der Flüssigkeitskreislauf kann z. B. durch einen Kühlflüssigkeitskreislauf eines Verbrennungsmotors oder durch einen Temperierkreislauf für eine Fahrzeugbatterie und/oder elektrische Antriebskomponenten gebildet sein. Er kann z. B. aber auch als spezieller Kreislauf ausgebildet sein, der zum Temperieren einer Fahrgastzelle vorgesehen ist. Bevorzugt ist in dem Flüssigkeitskreislauf ein Flüssigkeit-Luft-Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme von der Flüssigkeit auf Luft, die einem zu beheizenden Raum zugeführt wird, vorgesehen.
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Die elektrische Fahrzeugheizvorrichtung 100 weist eine Mehrzahl von Rohren 101, 102, 103 auf, die dazu ausgebildet sind, eine zu beheizende Flüssigkeit zu führen. Obwohl in 1 beispielhaft drei derartige Rohre 101, 102, 103 dargestellt sind, ist die Realisierung nicht darauf beschränkt und es kann auch eine andere Anzahl von Rohren vorgesehen sein, insbesondere können z. B. auch viel mehr solche Rohre vorgesehen sein, z. B. 10, 20, 30,.... Die Rohre 101, 102, 103 sind an ihrem ersten freien Ende fest in einem (lediglich schematisch dargestellten) Sammelkasten 104 befestigt. Der Sammelkasten 104 bildet bei der Ausführungsform einen Rohrboden, in den die Rohre 101, 102, 103 jeweils münden, sodass der Innenraum der Rohre 101, 102, 103 jeweils mit dem Innenraum des Sammelkastens 104 in Flüssigkeitsverbindung steht. Das jeweilige zweite freie Ende der Rohre 101, 102, 103 ist in ähnlicher Weise in einem weiteren Sammelkasten befestigt, der ebenfalls als Rohrboden dient. Der weitere Sammelkasten ist in den Figuren der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die freien Enden der Rohre 101, 102, 103 sind in den Sammelkästen fixiert. Insbesondere können die freien Enden der Rohre 101, 102, 103 relativ zu den Sammelkästen im Wesentlichen keine Bewegung in ihrer Längsrichtung und in der Ebene senkrecht zu dieser ausführen.
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Zwischen zwei benachbarten Rohren, d. h. zwischen einem ersten Rohr 101 und einem zweiten Rohr 102 sowie zwischen dem ersten Rohr 101 und einem dritten Rohr 103 bei der in 1 dargestellten Ausführungsform, ist jeweils eine Mehrzahl von elektrischen Heizelementen 105 vorgesehen. In 1 sind beispielhaft jeweils fünf elektrische Heizelemente 105 zwischen zwei benachbarten Rohren 101 und 102 bzw. 101 und 103 vorgesehen. Es können jedoch auch eine andere Anzahl von elektrischen Heizelementen 105 vorgesehen sein, z. B. auch nur jeweils eins zwischen zwei benachbarten Rohren oder z. B. 2, 3, 4, ... , 10. Die elektrischen Heizelemente 105 sind bei der dargestellten Ausführungsform als Heizelemente ausgebildet, die elektrische Energie in ohmsche Wärme umsetzen, insbesondere als keramische PTC-Heizelemente. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die elektrischen Heizelemente 105 durch Hochvolt-PTC-Heizelemente gebildet, die dazu ausgebildet sind, mit einer Versorgungsspannung > 50 Volt betrieben zu werden.
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Die elektrischen Heizelemente 105 weisen bei der Ausführungsform jeweils eine PTC-Keramik 106 in Form eines Plättchens mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen auf. Da die elektrischen Heizelemente 105 alle gleich aufgebaut sind, werden für sämtliche elektrischen Heizelemente dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn diese jeweils nur in Bezug auf ein bestimmtes elektrisches Heizelement in den Figuren angegeben sind. Auf den beiden Hauptoberflächen ist jeweils eine gut wärmeleitende elektrische Isolierung in Form einer Isolierungsstruktur 107, 108 vorgesehen, die z. B. durch elektrisch isolierende keramische Plättchen gebildet sein kann. Zwischen der PTC-Keramik 106 und den Isolierungsstrukturen 107, 108 ist jeweils eine metallische Kontaktierungsschicht 109, 110 zur elektrischen Kontaktierung der PTC-Keramik 106 vorgesehen. Die Kontaktierungsschichten 109 und 110 sind über (nicht dargestellte) Verbindungsleitungen mit einer elektrischen Spannungsversorgung verbunden. Die PTC-Keramik 106, die Kontaktierungsschichten 109 und 110 und die Isolierungsstrukturen 107, 108 sind bevorzugt stoffschlüssig miteinander zu eifern Bauteil verbunden.
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Die Ausgestaltung der Rohre 101, 102, 103 und die Anordnung der elektrischen Heizelemente 105 wird im Folgenden beispielhaft anhand eines ersten elektrischen Heizelements 105a und daran angrenzender Rohre 101 und 102 beschrieben. Bei gegebenenfalls vorgesehenen weiteren elektrischen Heizelementen und Rohren zum Führen der zu beheizenden Flüssigkeit ist eine entsprechende Ausgestaltung vorgesehen.
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Eine erste Oberfläche 105b des ersten elektrischen Heizelements 105a liegt an einer ersten Oberfläche 101a des ersten Rohres 101 an. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die erste Oberfläche 105b des ersten elektrischen Heizelements 105a durch die Oberfläche der Isolierungsstruktur 108 gebildet. Eine der ersten Oberfläche 105b gegenüberliegende zweite Oberfläche 105c des ersten elektrischen Heizelements 105a liegt an einer Oberfläche 102b des zweiten Rohres 102 an. Die erste Oberfläche 101a des ersten Rohres 101 ist gegen die erste Oberfläche 105b des ersten elektrischen Heizelements 105a gespannt. die Oberfläche 102b des zweiten Rohres 102 ist gegen die zweite Oberfläche 105c des ersten elektrischen Heizelements 105a gespannt. Die jeweilige Spannung wird durch eine elastische Deformation des ersten Rohres 101 bzw. des zweiten Rohres 102 bereitgestellt, wie im Folgenden beispielhaft für das erste Rohr 101 anhand von 3a und 3b erläutert wird.
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3a zeigt schematisch das erste Rohr 101 in einem nicht deformierten, entspannten Zustand in einer Schnittansicht. 3b zeigt schematisch das erste Rohr 101 in einem elastisch deformierten Zustand. Wie anhand einer Zusammenschau der 2, 3a und 3b ersichtlich ist, ist das erste Rohr 101 im eingebauten Zustand in der elektrischen Fahrzeugheizvorrichtung 100 in einem elastisch deformierten Zustand gehalten. Bei der ersten Ausführungsform wird eine rückstellende Kraft aus dem in 3b dargestellten, elastisch deformierten Zustand in den in 3a dargestellten, nicht deformierten Zustand durch das Material des ersten Rohres 101 bereitgestellt. Mit anderen Worten gesagt: das Material des ersten Rohres 101 stellt eine Federwirkung bereit. Aufgrund der elastischen Deformation ist das erste Rohr 101 gegen das erste elektrische Heizelement 105a gespannt. In gleicher Weise ist das zweite Rohr 102 gegen die zweite Oberfläche des ersten elektrischen Heizelements 105a gespannt. Die Gegenkraft für die Aufrechterhaltung der elastischen Deformation der Rohre wird durch die Sammelkästen 104 aufgebracht, in denen die Rohre 101, 102, 103 befestigt sind, sodass die Sammelkästen gleichzeitig als Rahmen dienen.
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Wie in 3a ersichtlich ist, weist die dem ersten elektrischen Heizelement 105 zugewandte Oberfläche 101a des ersten Rohres 101 im nicht elastisch deformierten Zustand eine konvexe Form auf. Ebenso weist die gegenüberliegende Oberfläche 101b des ersten Rohres 101 im nicht elastisch deformierten Zustand eine konvexe Form auf. Insgesamt weist das erste Rohr 101 im Querschnitt eine im Wesentlichen ovale Form auf. Insbesondere aufgrund dieser Formgebung ist sichergestellt, dass im zusammengebauten Zustand in der elektrischen Fahrzeugheizvorrichtung 100, bei dem sich die Rohre 101, 102, 103 im elastisch deformierten Zustand befinden, sowohl eine gute Gesamtspannung zwischen den Rohren und den elektrischen Heizelementen 105 ausgebildet ist als auch eine gleichmäßige Flächenpressung an den jeweiligen Kontaktflächen zwischen den Rohren und den elektrischen Heizelementen 105 ausgebildet ist. In dieser Weise wird ein geringer thermischer Wärmeübergangswiderstand von den elektrischen Heizelementen 105 auf die zu beheizende Flüssigkeit erreicht. Gleichzeitig ist eine Konstruktion bereitgestellt, bei der aufgrund der elastischen Deformation der Rohre auch bei dem Auftreten von z. B. thermischen Längenänderungen eine gute Verspannung in der elektrischen Fahrzeugheizvorrichtung 100 aufrechterhalten bleibt. Die Spannkraft wird dabei durch die Formgebung der Rohre zum Führen der zu beheizenden Flüssigkeit erzielt. In dieser Weise wird eine elastische Vorspannung erreicht, die die elektrischen Heizelemente 105 in allen Betriebszuständen sicher hält und dabei auch einen gleichmäßigen Kontakt an den Wärmeübergangsflächen bereitstellt.
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Bei der Ausführungsform sind die Rohre 101, 102, 103 zum Führen der zu beheizenden Flüssigkeit als dünnwandige Metallrohre mit einer Wandstärke im Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, bevorzugt zwischen 0,075 mm und 0,6 mm, mehr bevorzugt zwischen 0,1 mm und 0,3 mm ausgebildet. Die Rohre können z. B. aus Edelstahl, Aluminium, Kupfer und/oder einer Aluminium- oder Kupfer-Legierung gebildet sein. Je nach der Größe der elektrischen Heizelemente 105 können die Rohre verschiedene Abmessungen aufweisen. Die Kontaktflächen der Rohre mit den elektrischen Heizelementen können z. B. eine Breite im Bereich zwischen 0,5 cm und 2 cm aufweisen.
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Wie in 2 dargestellt ist, sind in einer Richtung Z, die sich senkrecht zu einer Strömungsrichtung in den Rohren 101, 102, 103 erstreckt, abwechselnd Rohre und elektrische Heizelemente 105 angeordnet. In einer Richtung X, die sich zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung Z und ebenfalls senkrecht zu der Strömungsrichtung in den Rohren 101, 102, 103 erstreckt, können z. B. eine oder mehrere weitere Reihen angeordnet sein, in der sich Rohre und elektrische Heizelemente 105 in gleicher Weise abwechseln. Die Rohre von verschiedenen solchen Reihen können dabei z. B. in gemeinsame Sammelkästen 104 münden. Es ist z. B. aber auch denkbar, z. B. nur jeweils für einige der Rohre gemeinsame Sammelkästen vorzusehen.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen beschrieben, die sich von der ersten Ausführungsform jeweils nur durch die Ausgestaltung der Rohre zum Führen der zu beheizenden Flüssigkeit unterscheiden. Sämtliche in Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebenen Weiterbildungen und Konkretisierungen können auch bei den weiteren Ausführungsformen zur Anwendung kommen. Aus Gründen der Einfachheit werden daher in Bezug auf die weiteren Ausführungsformen nur die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und Gemeinsamkeiten werden nicht wiederholt. Zur Bezeichnung gleicher Komponenten werden daher im Folgenden auch die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die bei den weiteren Ausführungsformen ebenfalls vorhandenen Sammelkästen 104 sind in den Figuren der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine zweite Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezug auf die 4, 5, 6a und 6b beschrieben. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Form der Rohre. Anstelle der Rohre 101, 102, 103 sind Rohre 201, 202, 203 vorgesehen. Die Rohre 201, 202, 203 können aus demselben Material gefertigt sein und im Wesentlichen dieselben Abmessungen aufweisen, wie oben in Bezug auf die Rohre 101, 102, 103 beschrieben wurde.
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Wie in 6a am Beispiel eines ersten Rohres 201 zu sehen ist, weisen die Rohre zwei gegenüberliegende, im Wesentlichen glatte Oberflächen 201a und 201b auf, die dazu ausgebildet sind, jeweils an elektrischen Heizelementen 105 anzuliegen. Diese beiden Oberflächen 201a und 201b weisen, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, wiederum bevorzugt im nicht elastisch deformierten Zustand eine ausgewölbte, konvexe Form auf. Die Seitenflächen 201c und 201d weisen eine mehrfach nach innen und außen umgewölbte Form eines Faltenbalgs auf. Aufgrund dieser speziellen Formgebung lässt sich das Rohr 201 in der Richtung, entlang der die Rohre und die elektrischen Heizelemente abwechselnd angeordnet sind (Z-Richtung), gut elastisch deformieren und es wird eine hervorragende Spannung für die Kontaktflächen zwischen elektrischen Heizelementen 105 und den Rohren 201, 202, 203 bereitgestellt.
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DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine dritte Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezug auf die 7, 8, 9a und 9b beschrieben. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Form der Rohre. Anstelle der Rohre 101, 102, 103 sind Rohre 301, 302, 303 vorgesehen. Die Rohre 301, 302, 303 können aus demselben Material gefertigt sein und im Wesentlichen dieselben Abmessungen aufweisen, wie oben in Bezug auf die Rohre 101, 102, 103 beschrieben wurde.
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Wie insbesondere in 9a am Beispiel eines ersten Rohres 301 zu sehen ist, weisen die Rohre zwei gegenüberliegende, im Wesentlichen glatte Oberflächen 301a und 301b auf, die dazu ausgebildet sind, jeweils an elektrischen Heizelementen 105 anzuliegen. Diese beiden Oberflächen 301a und 301b weisen, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, wiederum bevorzugt im nicht elastisch deformierten Zustand eine ausgewölbte, konvexe Form auf. Die Seitenflächen 301c und 301d weisen hingegen eine konkave Form auf. Aufgrund dieser speziellen Formgebung lässt sich das Rohr 301 in der Richtung, entlang der die Rohre und die elektrischen Heizelemente abwechselnd angeordnet sind (Z-Richtung), gut elastisch deformieren und es wird eine hervorragende Spannung für die Kontaktflächen zwischen elektrischen Heizelementen 105 und den Rohren 301, 302, 303 bereitgestellt. Bei dieser Ausführungsform wird ferner zusätzlich erreicht, dass aufgrund der konkaven Seitenflächen 301c und 301d der Volumenstrom der Flüssigkeit in den Rohren im Rohrquerschnitt auf den Bereich der wärmeübertragenden Kontaktflächen zu den elektrischen Heizelementen 105 konzentriert wird. In dieser Weise wird ein besonders effizienter Wärmeübergang von den elektrischen Heizelementen 105 auf die zu beheizende Flüssigkeit erzielt.
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VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine vierte Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezug auf die 10, 11 und 12 beschrieben. Auch die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Ausgestaltung der Rohre. Anstelle der Rohre 101, 102, 103 sind Rohre 401, 402, 403 vorgesehen. Die Rohre 401, 402, 403 können aus demselben Material gefertigt sein und im Wesentlichen dieselben Abmessungen aufweisen, wie oben in Bezug auf die Rohre 101, 102, 103 beschrieben wurde. Im Gegensatz zu der ersten bis dritten Ausführungsform wird bei der vierten Ausführungsform die der elastischen Deformation der Rohre 401, 402, 403 entgegenwirkende Rückstellkraft, die die Spannung zwischen den Rohren und den elektrischen Heizelementen 105 aufrechterhält, nicht allein durch das Material der Rohre selbst bereitgestellt. Vielmehr ist zusätzlich jeweils ein Federelement 404 vorgesehen, das jeweils einen Teil des Rohres bildet.
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Bei der dargestellten Ausführungsform weisen die Rohre 401, 402, 403, wie am Beispiel des ersten Rohres 401 erläutert wird, eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsform mit abgerundeten Ecken auf. Wie insbesondere in 12 am Beispiel eines ersten Rohres 401 zu sehen ist, weisen die Rohre zwei gegenüberliegende Oberflächen 401a und 401b auf, die dazu ausgebildet sind, jeweils an elektrischen Heizelementen 105 anzuliegen. Im Inneren der Rohre ist ein Federelement 404 in Form einer Spiralfeder vorgesehen. Das Federelement 404 weist dabei eine an den rechteckigen Innenraum des Rohres 401 angepasste Außenkontur auf. Das Federelement 404 ist dabei dazu angepasst, auf die Oberflächen 401a und 401b des Rohres 401 eine nach außen wirkende Kraft auszuüben, die einer elastischen Deformation entgegenwirkt. Dies kann z. B. dadurch bewirkt sein, dass das Federelement 404 im nicht elastisch deformierten, entspannten Zustand in der Richtung der beiden gegenüberliegenden Oberflächen 401a und 401b (Z-Richtung) eine etwas größere Außenkontur aufweist als die Innenkontur des Rohres 401. Das Federelement 404 kann z. B. durch elastisches Strecken entlang seiner Axialrichtung verjüngt werden und in diesem Zustand in das Rohr 401 eingeführt werden. Bei einem Entspannen versucht das Federelement 404 dann wieder, seine ursprüngliche Form anzunehmen und übt somit eine Spannung auf die Oberflächen 401a und 401b aus.
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Somit wird auch bei dieser vierten Ausführungsform bei einer abwechselnden Anordnung von elektrischen Heizelementen 105 und Rohren 401, 402, 403 erreicht, das aufgrund einer elastischen Deformation der Rohre die Oberfläche des jeweiligen Rohres gegen das zugeordnete elektrische Heizelement 105 gespannt wird. In dieser Weise wird in allen Betriebszuständen ein geringer Wärmeübergangswiderstand von den elektrischen Heizelementen 105 auf die zu beheizende Flüssigkeit erzielt und die elektrischen Heizelemente 105 werden sicher und zuverlässig gehalten. Mit dem Vorsehen des Federelements 404 kann ferner noch zusätzlich die Wärmeübertragung auf die zu beheizende Flüssigkeit verbessert werden. Durch die Anordnung des Federelements 404 im Inneren des Rohres 401 wird eine Verwirbelung der in dem Rohr 401 strömenden Flüssigkeit erzielt, die zusätzlich dazu beiträgt, dass die Wärmeübertragung besonders effizient erfolgt. Wenn das Federelement 404 thermisch gut an das Material der Wandung des Rohres 401 angekoppelt ist und selbst eine ausreichend gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, dient es ferner noch zur Vergrößerung der Oberfläche im Inneren des Rohres 401, über die die Wärmeübertragung auf die zu beheizende Flüssigkeit erfolgt. In dieser Weise wird die Wärmeübertragung somit noch zusätzlich verbessert.
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Obwohl in Bezug auf die vierte Ausführungsform eine spezielle Form der Rohre 401, 402, 403 und des Federelementes 404 beschrieben wurde, sind auch andere Formgebungen möglich.
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MODIFIKATIONEN DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß einer Modifikation sind mehrere Reihen, in denen Rohre und elektrische Heizelemente 105 alternierend angeordnet sind, nebeneinander vorgesehen. Bei der Modifikation ist zwischen zwei benachbarten Rohren aus nebeneinander befindlichen Reihen noch jeweils zumindest ein weiteres elektrisches Heizelement 105 vorgesehen. In diesem Fall kann somit bei den Rohren von bis zu vier Seiten Heizleistung von elektrischen Heizelementen zugeführt werden. Anders ausgedrückt liegen bei der Modifikation nicht nur Reihen vor, in denen Rohre und elektrische Heizelemente alternierend angeordnet sind, sondern in einer Richtung zumindest im Wesentlichen senkrecht dazu auch noch Spalten, in denen Rohre und elektrische Heizelemente alternierend angeordnet sind. Bei der Modifikation bilden elektrische Heizelemente und Rohre somit eine Schachbrett- oder Matrix-Anordnung. Bei dieser Anordnung muss die Querschnittsform der Rohre im nicht deformierten Zustand entsprechend angepasst sein, damit eine elastische Deformation in zwei Richtungen ermöglicht ist. Z. B. können die Rohre in diesem Fall im nicht deformierten Zustand einen im Wesentlichen runden Querschnitt, einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit konvexen Seitenwänden oder eine ähnliche Formgebung aufweisen.
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Unabhängig davon, ob die zuvor beschriebene Schachbrett-Anordnung gewählt wird, kann z. B. auch in anderen Fällen in der Querrichtung Druck auf die Rohre ausgeübt werden (z. B. über einen Rahmen), um die Spannung zuverlässig aufrechtzuerhalten und auftretende Fertigungstoleranzen zu kompensieren.
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Obwohl einige konkrete Ausführungsformen beschrieben wurden, sind auch weitere Ausgestaltungen möglich. Insbesondere können noch andere Formen für die Rohre gewählt werden, die die erforderliche elastische Deformation mit einer ausreichenden rückstellenden Kraft ermöglichen. Obwohl bei den Ausführungsformen jeweils eine konkrete Anzahl von elektrischen Heizelementen und Rohren zum Führen von zu beheizender Flüssigkeit dargestellt ist, können jeweils auch mehr oder weniger Rohre und/oder elektrische Heizelemente vorgesehen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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