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Die Erfindung betrifft eine Flüssigkeitsheizung mit einem Gehäuse, das Ein- und Auslassöffnungen für Flüssigkeit aufweist, und wenigstens einem Heizstab zum Erwärmen von Flüssigkeit in dem Gehäuse.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie kostengünstig eine Flüssigkeitsheizung geschaffen werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Flüssigkeitsheizung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsheizung kann die von einem oder mehreren keramischen Heizelementen erzeugte Wärme über die Mantelfläche des Heizstabs großflächig verteilt an Flüssigkeit im Inneren des Gehäuses abgeben. So kann die Gefahr einer lokalen Überhitzung vermieden werden, was bei brennbaren Flüssigkeiten und/oder niedrigem Siedepunkt wie beispielsweise Öl ein wichtiger Vorteil ist. Der Gefahr von Entflammen, Verkoken oder Blasenbildung der Flüssigkeit wird durch eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsheizung begegnet. Die Heizelemente sind durch das Rohrgehäuse des Heizstabs vor Kontakt mit der zu erwärmenden Flüssigkeit geschützt.
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Trotz dieser Vorteile lässt sich eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsheizung kostengünstig fertigen, da Heizstäbe mit Rohrgehäusen aus zylindrischen Strangpressprofilen wirtschaftlich hergestellt werden können und eine einfache Abdichtung mittels Dichtringen gegenüber dem Gehäuse ermöglichen.
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Das Rohrgehäuse des Heizstabes einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitsheizung wird aus einem zylindrischen Strangpressprofil hergestellt. Das Rohrgehäuse hat deshalb an seinen beiden Endabschnitten einen kreisförmigen Querschnitt. Die in den Einschuböffnungen steckenden Endabschnitte können deshalb mit Dichtringen, beispielsweise O-Ringen, problemlos dicht umschlossen und die Einschuböffnungen abgedichtet werden. Die Enden des Strangpressprofils bedürfen keiner besonderen Abdichtung, da die Endflächen der Flüssigkeit nicht ausgesetzt sind. Vorteilhaft ist insbesondere auch, dass sich eine erfindungsgemäße Flüssigkeitsheizung durch die einfache Abdichtung problemlos auch für den Einsatz bei hohen Drücken auslegen lässt, beispielsweise als Ethanolheizer.
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Zwischen seinen beiden Endabschnitten ist in dem Rohrgehäuse wenigstens ein keramisches Heizelement, beispielsweise ein PTC Heizelement angeordnet. Dort kann das Rohrgehäuse verpresst sein, um die Wärmeankopplung an das Heizelement zu verbessern. Das Rohrgehäuse hat dann zwischen seinen beiden Enden eine Taille, also einen reduzierten Querschnitt.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Rohrgehäuse zusätzlich zu einem Kanal, der das Heizelement oder die Heizelemente enthält und deshalb eine Heizkammer bildet, weitere Kanäle hat, die neben der Heizkammer angeordnet sind. Wenn das Strangpressprofil, dort wo in ihm das Heizelement oder die Heizelemente angeordnet sind, verpresst wird, können diese weiteren Kanäle nachgeben und bei plastischer Verformung verdrängtes Material aufnehmen. Die weiteren Kanäle können so verhindern, dass beim Verpressen verdrängtes Material zu einem Auswölben des Strangpressprofils führt.
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Wenn zum Verpressen auf einen Kreiszylinder mittels zwei Pressbacken in radialer Richtung Kraft ausgeübt wird, besteht nämlich die Gefahr, dass das von den Pressbacken nach innen verdrängte Material zwischen den beiden Pressbacken, quer zu einem die Pressbacken verbindenden Durchmesser nach außen drückt, so dass sich der Zylinder dort nach außen wölbt. Mit anderen Worten, besteht an sich die Gefahr, dass die Querschnittsfläche in dem verpressten Bereich stellenweise über den ursprünglichen Querschnitt hinausragt mit der Folge, dass ein solcher Zylinder nach dem Verpressen nicht mehr durch eine Einschuböffnung gesteckt werden kann, deren Durchmesser dem Durchmesser des unverformten Zylinders entspricht.
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Durch die wenigstens eine zusätzliche Kammer im Rohrgehäuse eines erfindungsgemäßen Heizstabs wird mit einfachen Mitteln erreicht, dass der fertige Heizstab problemlos in eine kreisrunde Einschuböffnung des Gehäuses gesteckt werden kann.
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Ein solcher Heizstab ermöglicht wegen des Verpressens, d. h. der plastischen Verformung, des Rohrgehäuses im Bereich des Heizelements oder der Heizelemente eine hervorragende Ableitung der von dem Heizelement oder den Heizelementen erzeugten Wärme an das Rohrgehäuse. Wichtig dabei ist, dass das Rohrgehäuse für eine einfache und zuverlässige Abdichtung der Einschuböffnungen des Gehäuses nicht auf seiner vollen Länge einen kreisförmigen Querschnitt haben muss. Es genügt, wenn zwei Endabschnitt des Heizstabes einen kreisförmigen Querschnitt haben und das Rohrgehäuse dazwischen nicht über diese Querschnittsfläche herausragt, also das Strangpressprofil im verpressten Bereich nur nach innen verformt ist.
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Bevorzugt befindet sich der die Heizkammer bildenden Kanal zwischen den übrigen Kanälen. Die zusätzlichen Kanäle können dann besonders wirksam ein Auswölben des Strangpressprofils beim Verpressen verhindern.
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An sich genügen bei dem Strangpressprofil eines erfindungsgemäßen Heizstabes zwei Kanäle, nämlich ein Kanal für die Heizkammer und ein zusätzlicher Kanal, um beim Verpressen verdrängtes Material aufzunehmen und so ein Auswölben zu verhindern. Besser ist es aber, wenn das Strangpressprofil wenigsten zwei zusätzliche Kanäle aufweist, zwischen denen die Heizkammer liegt. Bevorzugt hat das Strangpressprofil aber wenigstens fünf Kanäle, so dass die Heizkammer von wenigstens vier Kanälen, vorzugsweise wenigstens sechs Kanälen umgeben ist. Der zusätzliche oder einer der zusätzlichen Kanäle kann beispielsweise auch dazu genutzt werden, um einen Temperatursensor aufzunehmen. Auf diese Weise kann die Temperatur des Heizstabs überwacht werden. Signale des Temperatursensors können beispielsweise von einer Steuereinheit ausgewertet werden, die bei einem gefährlichen Anstieg der Temperatur die Heizleistung reduziert.
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Das Heizelement ist bevorzugt plattenförmig ausgebildet und weist eine Schmalseite auf, die einem Ende des Rohrgehäuses zugewandt ist. Indem ein zwischen den beiden Einschuböffnungen liegender Abschnitt des Rohrgehäuses verpresst ist, lässt sich mit plattenförmigen Heizelementen eine vorteilhaft große Fläche zum Wärmeübergang auf das Rohrgehäuse nutzen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Heizkammer zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten und zwei sich gegenüberliegende Breitseiten aufweist. Mit anderen Worten ist der die Heizkammer bildende Kanal also flach. Ein solcher Kanal ist besonders gut eignet, um ein plattenförmiges Heizelement aufzunehmen.
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Bevorzugt ist jeweils zwischen jeder der Schmalseiten der Heizkammer und einer Mantelfläche des Rohrgehäuses wenigstens ein Kanal. Auf diese Weise lässt sich das Strangpressprofil leichter verpressen. Beim Verpressen wird der die Heizkammer bildende Kanal nämlich flacher, d. h. die beiden Breitseiten der Kammer werden aufeinander zu bewegt. Dies ist leichter möglich, wenn neben den Schmalseiten jeweils ein Kanal verläuft. Vorzugsweise sind die zwischen den Schmalseiten der Heizkammer und der Mantelfläche angeordneten Kanäle auf ihrer von der Heizkammer abgewandten Seite stärker gekrümmt als auf ihrer der Heizkammer zu gewandten Seite. Dabei kann die der Heizkammer zugewandte Seite schwach gekrümmt oder sogar eben ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich die zum Verpressen erforderliche Presskraft besonders gut reduzieren.
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Das Rohrgehäuse kann an einem Ende mit einer Kappe verschlossen sein. Auf diese Weise lässt sich das Rohrgehäuse mit geringem Aufwand verschließen. Es ist auch möglich, dass das Rohrgehäuse an beiden Enden mit einer Kappe verschlossen ist. In diesem Fall kann in einer der beiden Kappen eine Öffnung für einen elektrischen Anschluss sorgen. Eine solche Kappe kann mit dem Rohrgehäuse stoffschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch Schweißen, oder z. B. einfach aufgesteckt sein. Die beiden Enden des Rohrgehäuses können aber auch offen gelassen werden, da der Heizstab nur zwischen seinen beiden Enden der zu erwärmenden Flüssigkeit in dem Gehäuse ausgesetzt ist.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an einem Ende des Rohrgehäuses aus der Heizkammer ein Kontaktblech, das an dem Heizelement anliegt, herausragt. Auf diese Weise kann mit vorteilhaft geringem Aufwand eine flächige Kontaktierung des Heizelements erreicht werden, die auch für große Stromstärken geeignet ist.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine isometrische Ansicht einer Flüssigkeitsheizung;
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2 eine weitere Ansicht der Flüssigkeitsheizung;
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3 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie AA von 2;
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4 den Heizstab der Flüssigkeitsheizung in einer isometrischen Ansicht; und
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5 einen Querschnitt des Heizstabs.
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Die in den 1 bis 3 dargestellt Flüssigkeitsheizung hat ein längliches Gehäuse 10, das eine Einlassöffnung 11 für zu erwärmende Flüssigkeit und mehrere Auslassöffnungen 12 für erwärmte Flüssigkeit aufweist. Je nach Verwendungszweck kann die Anzahl der Einlassöffnungen 11 und der Auslassöffnungen 12 variieren. Für viele Anwendungen genügt eine einzige Einlassöffnung 11 und eine einzige Auslassöffnung 12. Die Ein- und Auslassöffnungen 11, 12 können als Tüllen ausgebildet sein.
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Flüssigkeit wird in dem zylindrischen Gehäuse 10 mit einem Heizstab erwärmt, der insbesondere in den 4 und 5 gezeigt ist. Der Heizstab steckt in gegenüberliegenden Einschuböffnungen des Gehäuses 10, die mit Dichtringen 13, beispielsweise O-Ringen, abgedichtet. Die Dichtringe 13 sitzen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Ringnut des Gehäuses 10, können aber beispielsweise auch in einer Ringnut des Heizstabes sitzen. Zwischen den beiden Einschuböffnungen kann der Heizstab von zu erwärmender Flüssigkeit im Inneren des Gehäuses 10 umspült werden und so Wärme an die Flüssigkeit abgeben.
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Der Heizstab hat ein Rohrgehäuse 1, in dem ein oder mehrere keramische Heizelemente 2, beispielsweise PTC-Heizelemente, angeordnet sind. Alternativ lassen aber auch andere Heizwiderstände verwenden. Das Rohrgehäuse 1 ist aus einem kreiszylindrischen Strangpressprofil hergestellt, das mehrere Kanäle 3, 4, 5 aufweist, die sich nebeneinander in Längsrichtung des Strangpressprofils erstrecken. Nur einer dieser Kanäle 3 bildet eine Heizkammer, in der das Heizelement 2 oder die Heizelemente 2 angeordnet sind. Die Heizkammer ist im Zentrum des Strangpressprofils angeordnet. Der die Heizkammer bildende Kanal 3 ist also zwischen den übrigen Kanälen 4, 5 angeordnet. Bevorzugt umgeben die übrigen Kanäle 4, 5 die Heizkammer ringförmig. Einer der übrigen Kanäle 4, 5 kann einen Temperatursensor, beispielsweise ein Thermoelement oder einen Messwiderstand, enthalten.
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Für spezielle Anwendungen können auch mehrere Kammern für Heizelemente vorgesehen sein. Wenn mehrer Heizkammern vorgesehen sind, können diese symmetrisch oder asymmetrisch angeordnet sein.
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Die Heizelemente 2 sind plattenförmig ausgebildet. Zwischen ihrer Vorderseite und ihrer Rückseite haben die Heizelemente 2 also eine umlaufende Schmalseite. Die Heizelemente 2 sind mit ihrer Schmalseite einem Ende des Rohrgehäuses 1 zugewandt. Mit anderen Worten erstreckt sich also eine geometrische Gerade, die senkrecht zu der großflächigen Vorderseite bzw. der Rückseite eines Heizelements 2 verläuft, quer zur Längsrichtung des Strangpressprofils, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in radialer Richtung des Rohrgehäuses 1. Der die Heizkammer bildende Kanal 3 hat zwei sich gegenüberliegende Schmalseiten und zwei sich gegenüberliegende Breitseiten, ist also ebenso wie die Heizelemente flach ausgebildet. Bevorzugt hat die Heizkammer einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt.
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Um einen guten Wärmekontakt zwischen Heizelement 2 und Strangpressprofil zu erreichen, wird das Strangpressprofil nach dem Einbringen der Heizelemente 2 in die Heizkammer radial verpresst. Dabei wird das Strangpressprofil in einem die Heizelemente 2 umgebenden Bereich plastisch verformt. Die zusätzlichen Kanäle 4, 5, welche die Heizkammer umgeben, nehmen beim plastischen Verformen verdrängtes Material auf und sorgen so dafür, dass das Strangpressprofil in dem verpressten Abschnitt nirgendwo über den kreisförmigen Querschnitt eines unverpressten Abschnitts, beispielsweise an den Enden, hinaussteht. Vorteilhaft kann der dargestellte Heizstab deshalb in Einschuböffnungen des Gehäuses 10 gesteckt werden, die einen zu dem Durchmesser des zylindrischen Strangpressprofils passenden Durchmesser haben. In der Einschuböffnung kann die Fuge zwischen Heizstab und Gehäuse 10 deshalb mit Dichtringen 13 kostengünstig und zuverlässig abgedichtet werden. Das zylindrische Strangpressprofil kann anstelle eines kreiszylindrischen Querschnitts auch einen ovalen oder elliptischen Querschnitt haben. Ein Verdrehen in der Aufnahme ist dann ausgeschlossen. Dies kann wegen der Position von Kontakten zu einer Leiterplatte, die beispielsweise eine Steuerungselektronik trägt, vorteilhaft sein.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Heizkammer von mehr als vier, nämlich von acht Kanälen 4, 5 umgeben. Die beiden Kanäle 4, die zwischen einer Schmalseite der Heizkammer und der Mantelfläche des Strangpressprofils angeordnet sind, sind dabei größer als die anderen die Heizkammer umgebenden Kanäle 5. Beim Verpressen wird das Strangpressprofil im Bereich dieser beiden Kanäle 4 am stärksten verformt. Um das Verpressen zu erleichtern, können diese beiden Kanäle 4, die jeweils zwischen einer Schmalseite des Heizelements und der Mantelfläche des Strangpressprofils verlaufen, auf ihrer von der Heizkammer abgewandten Seite stärker gekrümmt sein als auf ihrer der Heizkammer zugewandten Seite.
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Der Heizstab hat in seinem verpressten Bereich einen reduzierten Querschnitt. Zwischen seinen beiden Enden hat das Rohrgehäuse 1 also eine Taille. Mit anderen Worten ist der Querschnitt des Rohrgehäuses also vor und hinter dem verpressten Bereich größer als in dem verpressten Bereich selbst. Die Taille ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nur sehr schwach ausgeprägt und deshalb in den Figuren nicht zu erkennen.
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Die Kanäle 4, 5, welche die Heizkammer umgeben, können nach dem Verpressen mit Vergussmasse aufgefüllt werden, beispielsweise um den Heizstab abzudichten. Bevorzugt bleiben diese Kanäle aber leer.
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Das Rohrgehäuse 1 kann an einem Ende mit einer Kappe verschlossen sein. Eine solche Kappe kann beispielsweise mit dem Strangpressprofil, das bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung besteht, stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verschweißt sein.
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Das oder die Heizelemente 2 werden in dem Rohrgehäuse 1 von einem Kontaktblech 6 elektrisch kontaktiert, das aus dem Rohrgehäuse 1 herausragt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Kontaktbleche 6 vorhanden, zwischen denen die Heizelemente 2 angeordnet sind. Wenn das Strangpressprofil selbst als elektrischer Kontakt, beispielsweise als Massekontakt, verwendet wird, genügt ein einziges Kontaktblech 6.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist nur ein Heizstab vorhanden. Es können aber auch mehrer Heizstäbe verwendet werden, um Flüssigkeit in dem Gehäuse 10 zu erwärmen. Beispielsweise können die Stirnseiten des Gehäuses 10 jeweils mehrere Einschuböffnungen aufweisen, so dass das Gehäuse mehrere Heizstäbe nebeneinander umgibt.
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Die Ein- und Auslassöffnungen 11, 12 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Mantelfläche des Gehäuses 10 angeordnet. Ein- und/oder Auslassöffnungen 11, 12 können aber auch in einer der beiden oder beiden Stirnseiten des Gehäuses 10 angeordnet werden.
