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Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Heizvorrichtung zum Beheizen von Flüssigkeiten, wie sie in dem Stammpatent
DE 10 2011 054 406 B4 beschrieben ist. Derartige Heizvorrichtungen werden in Fahrzeugen beispielsweise zum Erwärmen von Wasser benötigt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten geschaffen werden kann, die den von Fahrzeugherstellern gesetzten Anforderungen kostengünstig gerecht wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung bildet ein Abschnitt des Strömungskanals eine Wendel, die eine Längsachse aufweist, wobei der Heizstab neben der Längsachse der Wendel angeordnet ist. Die Wendel ist bevorzugt als eine Schraube ausgebildet, d. h. hat bevorzugt eine konstante Ganghöhe, da dies die Fertigung vereinfacht. Eine konstant gleich bleibende Ganghöhe ist aber nicht erforderlich. An sich kann der Strömungskanal auch als eine unregelmäßige Wendel ausgebildet sein, bei der sich die Wendelsteigung zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung der Heizvorrichtung ändert. Erfindungsgemäß ragt der wenigstens eine Heizstab an mehreren Stellen durch eine wendelförmige gewundene Wand des Strömungskanals hindurch. Wenn die Wendel als eine Schraube ausgebildet ist, durchsetzt der Heizstab also die Flanken der Schraube. Bevorzugt ist der Heizstab parallel zur Längsachse der Wendel angeordnet. Er kann mit der Längsachse der Wendel aber auch einen spitzen Winkel einschließen.
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Der wendelförmig gewundene Strömungskanal einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung führt zu einem vorteilhaft kompakten Aufbau. Da der Strömungskanal mehrmals an jedem Heizstab vorbeiführt, wird eine sehr gute Wärmeabgabe erreicht. Die benötigte Heizleistung kann durch die Anzahl der verwendeten Heizstäbe problemlos innerhalb weiter Grenzen an gegebene Anforderungen angepasst werden. Vorteilhaft können für eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung Heizstäbe verwendet werden, die beispielsweise auch für Heizer von Fahrzeugklimaanlagen gebräuchlich sind. Dies ermöglicht eine kostengünstige Fertigung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass an einen Strömungskanalabschnitt, der die Wendel bildet, ein Strömungskanalabschnitt anschließt, der in der Längsachse der Wendel verläuft. Auf diese Weise kann eine Anschlussöffnung, also die Einlassöffnung oder die Auslassöffnung, in einer Basisfläche des Gehäuses angeordnet werden, also beispielsweise in einer Grund- oder Deckfläche eines Zylinders. Die zweite Anschlussöffnung kann in einer Mantelfläche des Gehäuses angeordnet werden. Der geradlinige Abschnitt des Strömungskanals im Zentrum der Wendel kann so durch eine Verlängerung der Länge des Strömungskanals eine verbesserte Ausnutzung der Heizleistung bewirken
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Strömungskanal von Strömungsleitelementen gebildet ist, die in dem Gehäuse aufeinander angeordnet sind, jeweils einen Teil einer Schraube bilden und Aussparungen für den Heizstab oder die Heizstäbe aufweisen. Derartige Strömungsleitelemente können beispielsweise aufeinander gesteckt werden, um einen Strömungskanal der gewünschten Länge auszubilden. Bevorzugt wird der Strömungskanal dann von den Strömungsleitelementen und einer zylindrischen Umfangswand, welche die Strömungsleitelemente umgibt, begrenzt. Geeignete Strömungsleitelemente können beispielsweise aus Kunststoff kostengünstig hergestellt werden. Bevorzugt ist, dass jedes Strömungsleitelement eine Windung der Schraube bildet. Dies führt zu einer besonders einfachen Fertigung. Bevorzugt bilden die Strömungsleitelemente eine Schraube mit einem eingängigen Gewinde.
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Die Aussparungen der Strömungsleitelemente erstrecken sich in radialer Richtung bevorzugt weniger weit als die betreffende Flanke bzw. Wand des Strömungsleitelements. Beispielsweise können die Aussparungen als Löcher ausgebildet sein. Die Aussparungen können aber auch zum Rand des Strömungsleitelements, d. h. zum Gehäuse hin, offen sein, so dass die Heizstäbe an der Innenseite des Gehäuses anliegen.
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Wenn der Heizstab oder die Heizstäbe an einer Innenseite des Gehäuses anliegen, strömt eine zu erwärmende Flüssigkeit nur auf einer Seite an den Heizstäben vorbei. Bevorzugt sind der oder die Heizstäbe so angeordnet, dass die zu erwärmende Flüssigkeit in dem Strömungskanal auf zwei Seiten, nämlich sowohl radial innen als auch radial außen, an dem Heizstab vorbeiströmen kann. Mit anderen Worten bildet der Heizstab also ein Strömungshindernis, an dem ein Teil des Strömungskanals radial innen und ein weiterer Teil des Strömungskanals radial außen vorbeiführt. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Wärmeabgabe erreicht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Heizelemente PTC Elemente verwendet werden, insbesondere keramische PTC Elemente, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat. Bevorzugt ist jeder Heizstab als ein Vierkantrohr ausgebildet, in dem wenigstens ein als PTC Element ausgebildetes Heizelement angeordnet ist. Die Heizelemente sind in einem solchen Heizstab durch das Vierkantrohr vor der zu erwärmenden Flüssigkeit vorteilhaft geschützt.
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Ein oder mehrere PTC Elemente können in einem Vierkantrohr von einem Montagerahmen gehalten werden, der bevorzugt auch wenigstens ein Anschlussblech hält, das aus dem Vierkantrohr herausragt und das PTC Element oder die PTC Elemente kontaktiert. Die Vierkantrohre können nach dem Einbringen der PTC Elemente verpresst werden, um eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Geeignete Montagerahmen sind beispielsweise in der
DE 10 2009 035 837 A1 bekannt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Heizstäbe an einem ihrer Enden oder an beiden Ende in Vergussmasse eingebettet sind. Die Vergussmasse kann dazu dienen, das Gehäuse abzudichten oder beispielsweise um Heizstäbe und Strömungsleitelemente zu einer gut handhabbaren Einheit zu verbinden.
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Aus den Heizstäben herausragende Anschlussbleche können vorteilhaft in Schlitzen einer Schaltungsträgerplatte stecken, die beispielsweise in einem Fortsatz oder Aufsatz eines bevorzugt zylindrischen Gehäuses angeordnet sein kann und eine Steuerungselektronik tragen kann. Schaltungsträgerplatten werden manchmal auch als Leiterplatten oder Platinen bezeichnet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an ein Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind darin mit übereinstimmenden Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer Heizvorrichtung;
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2 eine Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten Heizvorrichtung;
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3 eine Schnittansicht zu 1;
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4 ein einzelnes Strömungsleitelement von 2;
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5 den Strömungskanal mit Heizstäben ohne Gehäuse; und
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6 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung in einer Schnittansicht.
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Die in den 1 bis 3 dargestellte elektrische Heizvorrichtung dient zum Beheizen von Flüssigkeiten in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise zum Beheizen von Wasser. Die Heizvorrichtung hat ein Gehäuse 1, das zwei Öffnungen 2, nämlich eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist. Die Einlassöffnung und die Auslassöffnung sind in dem Gehäuse 1 durch einen Strömungskanal verbunden, der sich schraubenförmig um eine Längsachse des zylindrischen Gehäuses 1 windet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind beide Öffnungen 2 in einer Mantelfläche des Gehäuse 1 angeordnet. Der Verlauf des Strömungskanals wird durch Strömungsleitelemente 3 vorgegeben, die in dem Gehäuse 1 aufeinander liegen. Ein solches Strömungsleitelement 3 ist in 4 dargestellt. 5 zeigt die aufeinander gesteckten Strömungsleitelemente 3 und somit den Verlauf des Strömungskanals ohne das Gehäuse 1.
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Die Strömungsleitelemente 3 bilden jeweils eine Windung einer Schraube mit einem eingängigen Gewinde. Der Strömungskanal verläuft zwischen den Flanken dieser Schraube. Die Flanken der Schraube bilden also eine wendelförmig gewundene Wand des Strömungskanals.
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Wie 4 zeigt, haben die Strömungsleitelemente 3 Aussparungen 4 für insbesondere in 2 dargestellte Heizstäbe 5. Die Heizstäbe 5 sind in der Heizvorrichtung neben der Längsachse der Schraube angeordnet und ragen an mehreren Stellen durch die wendelförmig gewundene Wand des Strömungskanals hindurch, nämlich durch die Flanke jeder Windung der von den Strömungsleitelementen 3 gebildeten Schraube.
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Die Heizstäbe 5 können als Vierkantrohre ausgebildet sein, in denen jeweils ein nichtdargestelltes PTC Element oder mehrere PTC Elemente als Heizelemente angeordnet sind. Die PTC Elemente können in den Heizstäben 5 von einem nicht gezeigten Montagerahmen gehalten werden, der auch wenigstens ein Anschlussblech 6 hält, das die Heizelemente kontaktiert und aus dem Heizstab 5 herausragt. Wenn das Vierkantrohr selbst als Masseanschluss verwendet wird, genügt ein einziges Anschlussblech 6. Ansonsten können zwei Anschlussbleche 6 verwendet werden, die jeweils gegenüber dem Vierkantrohr elektrisch isoliert sind und aus dem Heizstab 5 herausragen.
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Die Heizstäbe 5 haben bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt mit zwei Schmalseiten und zwei Längsseiten. Die Längsseiten sind bevorzugt schräg zur radialen Richtung der von den Strömungsleitelementen 3 gebildeten Schraube angeordnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Heizstäbe 5 in Umfangsrichtung einheitlich orientiert, um günstige Strömungsverhältnisse in dem wendelförmig verlaufenden Strömungskanal zu bewirken. Wie 4 zeigt, können die Heizstäbe 5 sowohl radial innen als auch radial außen von der zu erwärmenden Flüssigkeit umströmt werden.
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Die Heizstäbe 5 können an einem oder auch an beiden Enden in Vergussmasse 7 eingebettet sein, beispielsweise um die Strömungsleitelemente 3 und die Heizstäbe 5 zu einer gut handhabbaren Einheit zusammenzufügen oder um das Gehäuse 1 abzudichten. Das Gehäuse 1 kann, wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, einen Aufsatz 8 tragen, in dem eine Steuerungselektronik mit einer Schaltungsträgerplatte 9 angeordnet ist. Die Anschlussbleche 6 der Heizstäbe 5 können in den Aufsatz 8 hineinragen und dort in Schlitzen der Schaltungsträgerplatte 9 stecken. Die Heizstäbe 5 sind an einem Ende verschlossen, beispielsweise durch Schweißen, Kleben oder Bördeln.
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Um das Zusammenstecken der Strömungsleitelemente 3 zu erleichtern, können diese an einer Oberseite einen Zapfen oder eine andere Erhöhung aufweisen, die in eine dazu passende Ausnehmung an der Unterseite der Strömungsleitelemente 3 passt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Strömungsleitkanal vier Windungen. Dementsprechend sind in dem Gehäuse 1 vier Strömungsleitelemente 3 übereinander angeordnet. Der Strömungskanal kann aber auch eine größer oder eine kleiner Anzahl von Windungen aufweisen, beispielsweise nur drei Windungen.
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6 zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung zum Beheizen von Flüssigkeiten in einem Kraftfahrzeug. Im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist nur eine der beiden Öffnungen 2 in einer Mantelfläche des zylindrischen Gehäuses 1 angeordnet. Die andere Öffnung 2 ist dagegen in einer Basisfläche des Gehäuses 1, beispielsweise der Grund oder Deckfläche eines Zylinders, angeordnet. Welche dieser beiden Öffnungen 2 als Einlassöffnung und welche als Auslassöffnung verwendet wird, spielt an sich keine Rolle. Ebenso wie bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel bildet ein Abschnitt des Strömungskanals eine Wendel. Im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel schließt jedoch an diesen, eine Wendel bildenden Strömungskanalabschnitt ein weiterer Strömungskanalabschnitt an, der in der Längsachse der Wendel, also im Zentrum der Wendel verläuft.
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Die Strömungsleitelemente 3, welche den Verlauf des Strömungskanals vorgeben, sind deshalb jeweils als ein Rohrabschnitt ausgebildet, der an seiner Außenseite eine schraubenförmige Windung trägt. Durch Zusammenstecken dieser Strömungsleitelemente 3 wird somit zugleich ein wendelförmiger Strömungskanal gebildet als auch ein daran anschließender Strömungskanalabschnitt, der geradlinig verläuft. Der wendelförmig gewundene Strömungskanalabschnitt und der geradlinig verlaufende Strömungskanalabschnitt sind an dem Ende des geradlinigen Strömungskanalabschnitts, das von der in der Basisfläche des Gehäuses 1 angeordneten Öffnung 2 abgewandt ist, verbunden.
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Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel weist zusätzlich einen Temperatursensor 10 auf, dessen Anschluss beispielsweise in einer Mantelfläche des Gehäuses 1 angeordnet sein kann. Ein solcher Temperatursensor 10 kann auch bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 5 vorgesehen sein. Der Temperatursensor 10 ist in eine Öffnung des Gehäuses 1 eingesetzt, die von dem Temperatursensor 10 selbst sowie einer Dichtung verschlossen ist. Der Temperatursensor 10 kann beispielsweise mit einem Splint fixiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Öffnungen
- 3
- Strömungsleitelemente
- 4
- Aussparungen
- 5
- Heizstäbe
- 6
- Anschlussbleche
- 7
- Vergussmasse
- 8
- Aufsatz
- 9
- Schaltungsträgerplatte
- 10
- Temperatursensor
