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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Derartige Heizeinrichtungen werden insbesondere zur Beheizung relativ großer Fluidvolumenströme, beispielsweise der Ansaugluft oder dem Abgas eines Verbrennungsmotors verwendet.
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Zur Erwärmung der Ansaugluft werden beispielsweise Heizeinrichtungen verwendet, wie sie in der
EP 1 679 435 B1 oder
EP 1 348 861 B1 dargestellt werden. Eine derartige Heizeinrichtung hat ein Heizelement, das mäanderförmig gebogen ist und an einem Rahmen lagefixiert ist. Dieses Heizelement wird von dem zu erwärmenden Ansaugluftstrom umströmt, sodass entlang der Großflächen des Heizelementes ein Wärmeaustausch mit der Ansaugluft erfolgt und diese dementsprechend erwärmt wird. Das mäanderförmige Heizelement ist bei den bekannten Lösungen aus bandförmigem Heizleitermaterial ausgeführt.
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In der
EP 1 715 151 B1 ist eine Heizeinrichtung offenbart, bei der das ebenfalls im Wesentlichen bandförmige Heizleitermaterial spiralförmig aufgewickelt ist. Das Bandmaterial ist mit Ausprägungen ausgeführt, die dafür sorgen, dass die einzelnen Wicklungen zueinander beabstandet sind und somit einen Durchströmungsquerschnitt für den zu erwärmenden Fluidstrom bereitstellen. Anstelle dieser Ausprägungen können auch zusätzlich oder alternativ gesonderte Abstandshalter zwischen die Wicklungen eingebracht werden.
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Diese bekannte Lösung wird insbesondere zur temporären Beheizung des Abgases eines Dieselmotors verwendet, um einen nachgeschalteten Reinigungsprozess in einem Rußpartikelfilter zu initiieren. Die Erhöhung der Temperatur bewirkt dabei den Beginn des Rußverbrennungsprozesses im Rußpartikelfilter, welche dann ohne zusätzliche Beheizung weiter läuft. Ein weiteres Anwendungsgebiet dieses bekannten Heizers liegt auch in der Vergasung von Trockenharnstoff, der bei SCR-Anlagen zur Verbesserung des Abgasverhaltens verwendet wird.
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Nachteilig bei mäanderförmigen Konstruktionen ist, dass die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Fläche des Heizleitermaterials klein ist. Zunächst vorteilhaft ist dabei, dass der Druckverlust des zu erwärmenden Gasvolumenstroms relativ gering ist. Dieser Vorteil wird jedoch mit einer sehr hohen thermischen Oberflächenbelastung des Heizleitermaterials erkauft, die nötig ist, um die erforderliche Wärmemenge abgeben zu können. Es ist daher erforderlich, die Heizleistung über eine vergleichsweise komplexe elektronische Steuerung zu regeln, um eine thermische Überlastung des Heizleitermaterials zu vermeiden. Derartige Steuerelemente sind jedoch relativ teuer und benötigen einen erheblichen Bauraum.
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Ein weiterer Nachteil der Konstruktion mit mäanderförmigen Heizbändern besteht darin, dass die mechanische Längenausdehnung im Heizbetrieb erheblich ist. Diese Längenausdehnung kann über geeignete „Sollknickstellen“ oder zusätzlich eingebrachte abgefederte keramische Stützelemente kompensiert werden – derartige zusätzliche mechanische Maßnahmen sind jedoch zum einen relativ aufwendig, zum anderen kann es aufgrund der doch erheblichen Längenausdehnungen bei ungünstigen Betriebsbedingungen, mit damit einhergehenden Vibrationen, zu einem Bruch dieser zusätzlichen abstützenden keramischen Bauelemente oder der „Sollknickstellen“ kommen.
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Ein Nachteil der in der
EP 1 715 151 B1 offenbarten Lösung mit gewickeltem Heizband besteht darin, dass der Strömungsquerschnitt zwischen den einzelnen Wicklungen relativ gering ist und somit der Druckverlust des zu erwärmenden Mediums beim Durchströmen der Heizeinrichtung erheblich ist. Die Ausbildung der Prägungen ist darüber hinaus ein relativ komplexes Verfahren, da das Heizleitermaterial relativ hart ist und somit nicht optimal für einen Prägevorgang geeignet ist. Es besteht daher im Bereich der beim Prägen entstehenden Stanzränder die Gefahr einer Rissbildung, die dann bei den oben genannten Vibrationen zu einem Bruch und damit zu einem Bauteilversagen führen können.
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Ein weiteres Problem besteht darin, dass aufgrund der engen Abstände der einzelnen Wicklungen die Gefahr besteht, dass einige Bereiche nicht auf Abstand gehalten werden, sodass durch das Aneinanderliegen von Wickelabschnitten so genannte „Hot Spots“ gebildet werden.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Heizeinrichtung zu schaffen, die im Hinblick auf den Druckverlust und die Wärmeübertragungsfläche optimiert ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß hat die Heizeinrichtung eine bandförmige Heizleiteranordnung, die in einem Durchströmungsquerschnitt derart angeordnet ist, dass ein Fluidstrom bei bestromter Heizleiteranordnung erwärmt wird. Diese ist erfindungsgemäß mehrschichtig aus zumindest zwei Heizleiterbändern gebildet, wobei zumindest eines der Heizleiterbänder quer zu seiner Längserstreckung mehrfach wechselseitig ausgelenkt ist. Durch diese Mehrschichtigkeit wird die Stabilität der Heizleiteranordnung ganz erheblich verbessert, wobei auch ein hinreichender Abstand zwischen zwei Wicklungen der mehrschichtigen Heizleiteranordnung gewährleistet ist.
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Eine derartige Anordnung zeichnet sich zum einen durch einen minimalen Strömungsverlust beim Durchströmen aus, zum anderen ist die Wärmeaustauschfläche zum Beheizen des Fluidstroms maximal, sodass die thermische Oberflächenbelastung der Heizleiteranordnung gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik gering ist.
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Diese mehrschichtige Heizleiteranordnung lässt sich sehr einfach vorfertigen und in der gewünschten Weise in den Heizer einbauen, sodass auch die Herstellungs- und Fertigungskosten minimal sind.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Auslenkung in etwa sinus- oder zickzack-förmig ausgebildet. Derartige Geometrien lassen sich sehr einfach durch Stanzbiegen ausbilden, sodass der Fertigungsaufwand weiter vereinfacht ist.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das andere Heizleiterband als Flachmaterial ausgeführt, sodass ein gewelltes Heizleiterband und ein Flachband zusammengefügt sind.
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Vorteilhafter Weise wird der auf ein Segment bezogene Widerstand der beiden Heizleiterbänder so ausgelegt, dass über die gesamte Länge gesehen in beiden Heizleitern in etwa der gleiche Spannungsabfall erzeugt wird. D.h. der Gesamtwiderstand beider Heizleiterbänder, der durch das Material, die Geometrie und die Abmessungen beeinflusst wird, ist in etwa gleich und somit sind beide Heizleiterbänder in etwa mit der gleichen Stromstärke beaufschlagt.
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Eine besonders steife Konstruktion erhält man, wenn die Heizleiterbänder entlang der vorhandenen Scheitel oder punktuell miteinander verbunden sind. Dieses Verbinden kann beispielsweise durch Schweißen, Löten oder dergleichen erfolgen.
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Bei einer ganz besonders kompakten Lösung ist die aus zumindest zwei Heizleiterbändern bestehende Heizleiteranordnung spiralförmig gewickelt.
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Um eine Kontaktierung zwischen benachbarten Wicklungen zuverlässig zu vermeiden, kann noch eine Isolierschicht vorgesehen werden.
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Diese Isolierschicht ist vorzugsweise ebenfalls bandförmig ausgebildet und liegt an einer Großfläche des Flachbandes an.
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Der vorrichtungstechnische Aufwand ist weiter minimiert, wenn ein Wickeldorn zum Aufwickeln der Heizleiteranordnung nach dem Wickelvorgang verbleibt und dann als Kontaktbolzen zur Stromzuführung wirkt.
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Zur Maximierung des Durchströmungsquerschnittes wird eine Wellhöhe, d.h. die Erstreckung quer zur Längserstreckung des Bandmaterials deutlich größer als die Wandstärke des Flachbandes gewählt.
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Die Masseableitung der Wicklung lässt sich mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand durchführen, wenn die außen liegenden Endabschnitte der Heizleiterbänder zur Masseableitung verwendet werden. Dabei erfolgt diese Masseableitung vorzugsweise über ein Gehäuse der Heizeinrichtung, in das die Heizleiteranordnung eingesetzt ist und das vom zu erwärmenden Fluidstrom durchströmt wird.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung;
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2 eine Einzeldarstellung einer Heizleiteranordnung der Heizeinrichtung gemäß 1;
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3a, 3b schematische Darstellungen des Aufbaus der Heizleiteranordnung gemäß 2;
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4 eine Ansicht von unten auf die Heizleiteranordnung gemäß 2 und
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5 einen Längsschnitt durch die Heizeinrichtung gemäß 1.
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1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung 1, die beispielsweise zur Erwärmung eines Abgasstromes verwendet wird und in einen Strömungspfad des Abgases eingesetzt ist. Die Heizeinrichtung 1 hat ein etwa zylinderförmiges Gehäuse 2, in das eine Heizleiteranordnung 4 – auch Heizeinheit genannt – eingesetzt ist. Das zu erwärmende Abgas strömt zum Betrachter (1) hin aus dem Gehäuse 2 aus, wobei stromabwärts der Heizleiteranordnung 4 ein mit dem Gehäuse 2 verbundene Tragplatte 6 vorgesehen ist, die mit Durchbrüchen 8 für das zu erwärmende Abgas ausgeführt ist.
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Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, besteht die Heizleiteranordnung 4 im Wesentlichen aus gewickelten Heizleiterbändern, die um einen Wickeldorn aufgewickelt sind, der bei der dargestellten Lösung gleichzeitig als Anschlussdorn 10 zur Stromzuführung dient. Dieser Anschlussdorn 10 ist mit einem radial verlaufenden Anschlussbolzen 12 verbunden, dessen Endabschnitt – wie im Folgenden noch näher erläutert wird – sich durch die Gehäusewandung hindurch erstreckt. Die Stromzuführung wird dann an dem sich radial aus dem Gehäuse 2 heraus erstreckenden freien Endabschnitt des Anschlussbolzens befestigt. Dies erfolgt über zwei Muttern 14, 16, zwischen denen ein Anschlussterminal der Stromzuführung festgeklemmt wird. Im Durchtrittsbereich durch das Gehäuse 2 sind zur Isolation zwei Isolierscheiben 18, 20 vorgesehen, die vom Anschlussbolzen 12 durchsetzt sind und diesen gegenüber der Gehäusewandung isolieren. Benachbart zu der außen liegenden Isolierscheibe 18 ist eine Andrückscheibe 22 vorgesehen, die über die Mutter 16 und einen Radialbund 24 des Anschlussbolzens 12 mit der Gehäusewandung verspannt ist. Die Befestigung des Anschlussbolzens 12 an dem axial verlaufenden Anschlussdorn 10 erfolgt ebenfalls über eine Mutteranordnung, die im Folgenden noch näher erläutert wird.
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2 zeigt eine Einzeldarstellung der Heizleiteranordnung 4, wobei das Gehäuse 2 weggelassen ist. Man erkennt deutlich den spiralförmigen Aufbau der Heizleiteranordnung 4, wobei diese wie im Folgenden anhand 3 erläutert aus einem etwa sinusförmig gewellten Heizleiterband 26 und einem damit verbundenen Flachband 28 besteht. Der Aufbau dieser Heizleiteranordnung wird anhand der schematischen Darstellung in 3 erläutert. Dabei zeigt 3a einen Teilbereich der Heizleiteranordnung und 3b eine etwas vergrößerte Darstellung eines Teilbereiches der in 1 sichtbaren Wicklung.
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Gemäß 3a ist, wie bereits ausgeführt, das Heizleiterband 26 etwa sinusförmig ausgeführt. Prinzipiell können jedoch auch andere Geometrien, beispielsweise eine Zickzack-Faltung mit flachem Scheitel oder dergleichen vorgesehen sein. Das gewellte Heizleiterband 26 ist entlang seiner Scheitel 30 mit dem Flachband 28 verbunden. Diese Verbindung kann durch Schweißen, Löten, Kleben oder dergleichen erfolgen. Dabei ist es nicht notwendiger Weise erforderlich, dass die Verbindungszone sich entlang der gesamten Scheitelbreite (senkrecht zur Zeichenebene in 3a) erstreckt, sondern eine punktuelle Verbindung kann durchaus hinreichend sein. Ebenso muss nicht notwendigerweise jeder Scheitel 30 zwischen Heizleiterband 26 und Flachband 28 verbunden sein. Es kann ausreichend sein, wenn nur einige Scheitel verbunden sind.
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Erfindungsgemäß wird das Material der beiden Heizleiterbänder 26, 28 und deren Geometrie so gewählt, dass der Widerstand über ein Längensegment S der Heizleiteranordnung in beiden Bändern 26, 28 in etwa gleich ist. D.h. das Material, die Wandstärken der Bänder 26, 28 und die Breiten der Bänder werden entsprechend aufeinander abgestimmt. Aufgrund der näherungsweise gleichen Widerstände R in diesem Segment S und somit auch über der gesamten Wirklänge der beiden Heizbänder 26, 28 kann in erster Näherung davon ausgegangen werden, dass über beide Bänder der gleiche Spannungsabfall auftritt und somit auch der gleiche Strom fließt. Im Prinzip bilden die beiden Bänder 26, 28 eine Parallelschaltung, bei der die Einzelwiderstände in jedem Zweig gleich sind.
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Bei dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel ist auf der von der gewellten Heizleiterrippe 26 abgewandten Großfläche des Flachbands 28 eine Isolierung 32 vorgesehen, die beispielsweise aus einem Keramikmaterial, aus Mikanit, Keramikpapier oder auch durch eine Beschichtung des Flachbands 28 ausgebildet sein kann. Durch diese Isolierung 32 wird, wie in 3b dargestellt, verhindert, dass die einzelnen Wicklungen der sandwichartigen Heizleiteranordnung 26, 28, 30; 26’, 28’, 30’ nicht direkt an einander anliegen und somit keinen Hot Spot oder Kurzschluss ausbilden können. Prinzipiell könnte die Heizleiteranordnung jedoch auch ohne durchgehende Isolierung 32 ausgebildet sein; es könnte ausreichen, wenn punktuell Abstandshalter vorgesehen sind oder wenn die Wicklung so präzise ausgeführt ist, dass eine direkte Kontaktierung von Wicklungsabschnitten vermieden werden kann.
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Wie des Weiteren 3a entnehmbar ist, ist die Wellhöhe h deutlich größer als die Wandstärke B des Flachbands 28 ausgeführt. Dadurch wird ein sehr großer Strömungsquerschnitt A durch jede Welle ausgebildet, sodass der Druckverlust minimal ist.
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Wie bereits erwähnt, erfolgt das Wickeln mittels eines Wickeldorns, der eine Doppelfunktion erfüllt und nach dem Wickelvorgang als Anschlussdorn 10 verwendet wird. Dieser steht mechanisch in Eingriff mit der innersten Windung der Heizleiteranordnung, sodass sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Kontaktierung vorliegt. Wie bereits erläutert, kragt ein Endabschnitt des Anschlussbolzens 10 zum Betrachter hin (2) aus und ist an der Tragplatte 6 (1) des Gehäuses 2 festgelegt. Dies wird später anhand der Schnittdarstellung in 5 erläutert.
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In 2 sieht man besonders deutlich den Radialbund 24 des Anschlussbolzens 12, an dem eine der Isolierscheiben 20 anliegt. Die andere Isolierscheibe 22 liegt dann im Einbauzustand an der Außenumfangswandung des Gehäuses 2 an. Die Andrückscheibe 22 wird dann über die innen liegende Mutter 16 gegen die Isolierscheibe 18 und eine weitere, nicht mit einem Bezugszeichen versehene Scheibe gegen das Gehäuse 2 gepresst, um den Anschlussbolzen 12 mit der Gehäusewandung zu verspannen.
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4 zeigt die Heizleiteranordnung 4 in einer Ansicht von unten her. Man erkennt, dass sich der Anschlussdorn 10 mit seinem anderen Endabschnitt aus der Unterseite der Heizleiterwicklung heraus erstreckt. In dieser Ansicht sieht man auch relativ deutlich, dass die Breite b des gewellten Heizleiterbandes 26 größer als die Breite des Flachbands 28 ist, sodass das gewellte Heizleiterband 26 beidseitig achsparallel über das Flachband 28 übersteht.
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Gemäß der Schnittdarstellung in 5 steht der in 4 sichtbare Endabschnitt des Anschlussdorns 10 etwas über die anströmseitige Stirnfläche des zylindermantelförmigen Gehäuses 2 hinaus. Man erkennt in dieser Darstellung deutlich, dass die Wicklung bestehend aus dem gewellten Heizleiterband 26 und dem innen liegenden Flachband 28 lediglich entlang eines Axialabschnittes des als Wickeldorn wirkenden Anschlussdorns 10 ausgebildet ist. Wie bereits erläutert, ist der Anschlussdorn 10 an der Tragplatte 6 des Gehäuses 2 abgestützt. Dies erfolgt über einen in Radialrichtung auskragenden Stützbund 34, der über eine weitere Isolierscheibe 36 auf (Ansicht nach 5) der Tragplatte 6 abgestützt ist. Jenseits des Stützbundes 34 ist eine weitere Isolierscheibe 38 vorgesehen. Beide Isolierscheiben tauchen in entsprechende Ausnehmungen ein, sodass der Anschlussdorn 10 keinen direkten Kontakt mit der Tragplatte 6 hat und exakt zu dieser relativ positioniert ist. Die beiden Isolierscheiben 36, 38 werden über eine weitere Andrückscheibe 40 und eine Mutter 42, die auf einem Gewindeabschnitt des Anschlussdorns 10 aufgeschraubt ist, mit der Tragplatte 6 verspannt. Der Anschlussdorn 12 hat ein ringförmiges Verbindungsteil 44, das von dem Gewindeabschnitt des Anschlussdorns 10 durchsetzt ist und das über eine weitere Mutter 46 mit der Mutter 42 verspannt und somit lagefixiert ist. Der Anschlussbolzen 12 durchsetzt dann einen Gehäusedurchbruch 48 des Gehäuses 2 und ist dort – wie bereits erläutert – über die beiden Isolierscheiben 18, 20, die Andrückscheibe 22 und die Mutter 16 mit der Gehäusewandung verspannt, wobei die Isolierscheibe 20 an dem Radialbund 24 anliegt und dort abgestützt ist.
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Über die Mutter 14 wird dann das Anschlussterminal der Stromzuführung befestigt. Die Masseableitung erfolgt beim dargestellten Ausführungsbeispiel wie in 5 angedeutet über eine Massekontaktierung 50, über die der außen liegende Endabschnitt der gewickelten Heizleiteranordnung mit dem leitenden Gehäuse 2 oder mit einem leitenden Abschnitt des Gehäuses 2 verbunden ist. Auf diese Weise erhält man eine äußerst kompakte und einfach aufgebaute Heizeinrichtung 1, die eine große Wärmeaustauschfläche zur Verfügung stellt, wobei der Druckabfall beim Durchströmen der Heizeinrichtung 1 in Pfeilrichtung (5) minimal ist. D.h. das hydraulische Durchflussverhalten und die Wärmeleistung der Heizeinrichtung 1 sind gegenüber den eingangs beschriebenen Lösungen bei sehr kompaktem Aufbau verbessert. Prinzipiell kann die Heizeinrichtung auch in Gegenrichtung durchströmt werden (von unten nach oben in 5).
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Offenbart ist eine Heizeinrichtung mit einer bandförmigen Heizleiteranordnung, die mehrschichtig aus zumindest zwei Heizleiterbändern gebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizeinrichtung
- 2
- Gehäuse
- 4
- Heizleiteranordnung
- 6
- Tragplatte
- 8
- Durchbruch
- 10
- Anschlussdorn
- 12
- Anschlussbolzen
- 14
- Mutter
- 16
- Mutter
- 18
- Isolierscheibe
- 20
- Isolierscheibe
- 22
- Andrückscheibe
- 24
- Radialbund
- 26
- gewelltes Heizleiterband
- 28
- Flachband
- 30
- Scheitel
- 32
- Isolierung
- 34
- Stützbund
- 36
- Isolierscheibe
- 38
- Isolierscheibe
- 40
- Andrückscheibe
- 42
- Mutter
- 44
- Verbindungsteil
- 46
- Mutter
- 48
- Gehäusedurchbruch
- 50
- Massekontaktierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1679435 B1 [0003]
- EP 1348861 B1 [0003]
- EP 1715151 B1 [0004, 0008]
