DE102012107600B4

DE102012107600B4 - Elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Fluiden

Info

Publication number: DE102012107600B4
Application number: DE102012107600.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Giffels; Helmut Müller; Ralph Wächter; Michael Störzinger; Bernd Halbrock; Alexander Dauth; Klaus Lehmann
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2015-10-08
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: CN103629805A; DE102012107600A1; US9435562B2; US20140050466A1

Abstract

Elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Fluiden, mit wenigstens einem Heizwiderstand (6), einer Schnecke (2), die einen wendelförmigen Strömungskanal vorgibt, und einem Rohrgehäuse (1), das die Schnecke (2) umgibt, wobei die Schnecke (2) einen Innenraum (4) hat, der in ihrer Längsrichtung in einem Abstand von dem Strömungskanal verläuft und in dem der wenigstens eine Heizwiderstand (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (2) ein Gewinde aufweist, dessen Flanken nach außen hin immer dünner werden und dessen Gewindegrund radial einwärts gewölbt ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Heizvorrichtung zum Beheizen von Fluiden mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Derartige Heizvorrichtungen werden in Fahrzeugen beispielsweise zum Erwärmen von Wasser benötigt. Eine Heizvorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus der US 2 775 683 A bekannt.
Aus der DE 10 2010 031 520 A1 ist ein Durchlauferhitzer bekannt, der einen elektrischen Heizkörper in einem ersten Rohr aufweist, das von einem zweiten Rohr umgeben ist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr sind Rippen bzw. Zwischenwände, deren Stärke radial nach außen abnimmt.
Aus der DE 197 37 694 C1 ist ein Durchlauferhitzer bekannt, der einen Schraubensteg aufweist, dessen Flanken eine radial nach außen abnehmende Stärke haben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von Fluiden geschaffen werden kann, die den von Fahrzeugherstellern gesetzten Anforderungen kostengünstig gerecht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung hat einen wendelförmig gewundenen Strömungskanal. Der Strömungskanal ist durch eine Schnecke, also einen schraubenförmigen Körper vorgegeben, der in einem zylindrischen Rohrgehäuse angeordnet ist. Der Strömungskanal verläuft also in dem Gewindegang der Schnecke und ist radial auswärts durch das Rohrgehäuse begrenzt. Der Strömungskanal hat somit die Form einer Helix.
Die Heizvorrichtung enthält einen oder mehrere Heizwiderstände. Der oder die Heizwiderstände sind in einem Innenraum der Schnecke angeordnet und dadurch vor Kontakt mit dem zu erwärmenden Fluid geschützt. Der Innenraum verläuft dabei in Längsrichtung der Schnecke in einem Abstand von dem Strömungskanal, also in einem Kern der Schnecke, um den sich der Gewindegang herum windet. Von dem Heizwiderstand erzeugte Wärme wird über die Schnecke an durch den Strömungskanal fließendes Fluid abgegeben. Die Heizvorrichtung arbeitet also als Durchlauferhitzer.
Der wendelförmige Strömungskanal führt das zu erwärmende Fluid mehrmals um das Zentrum der Schnecke, in dem die Heizwärme erzeugt wird, herum und ermöglicht so bei einer kompakten Heizvorrichtung einen langen Strömungsweg des Fluids in Kombination mit einem niedrigen Staudruck. Je länger der Strömungsweg ist, desto besser kann das Fluid Wärme aufnehmen.
Um bei hohem Fluiddurchsatz einen geringen Strömungswiderstand zu erzielen, kann der Querschnitt des Strömungskanals entsprechend vergrößert werden. Ein großer Querschnitt des Strömungskanals hat jedoch den Nachteil entsprechend kleinerer Wärmeübergangsflächen. Diesem Nachteil kann man begegnen, indem man eine zwei- oder mehrgängige Schnecke mit parallel verlaufenden Teilströmungskanälen verwendet.
Eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung hat einen vorteilhaft einfachen Aufbau und lässt sich durch Einschieben der Schnecke in das Rohrgehäuse und Einbringen von einem oder mehreren Heizelementen in den Innenraum der Schnecke mit geringem Aufwand zusammenbauen. Dabei ist nicht unbedingt erforderlich, dass das Rohrgehäuse dichtend an der Schnecke anliegt. Wenn ein Anteil des zu erwärmenden Fluids nicht dem wendelförmigen Strömungskanal folgt, sondern als Leckagestrom über die Flanken des Schneckengewindes übertritt, ist dies an sich unschädlich, da jedenfalls der Großteil des Fluids dem Gewindegang, also dem wendelförmigen Strömungskanal, folgt und somit auf einer längeren Strecke Wärme aufnehmen kann. Bei der Herstellung können somit relativ große Fertigungstoleranzen in Kauf genommen werden, was eine kostengünstige Herstellung erleichtert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schnecke aus Metall, beispielsweise Aluminium, hergestellt ist. Wegen der guten Wärmeleitfähigkeit von Metallen kann von dem Heizwiderstand erzeugte Wärme dann effizient weitergeleitet und an Fluid in dem Strömungskanal abgegeben werden. Die Schnecke kann beispielsweise als Gussteil kostengünstig hergestellt werden. Eine Schnecke aus Metall hat zudem eine relativ große Wärmekapazität. Dies ist vorteilhaft, weil in einem Fahrzeug Heizenergie oft nicht kontinuierlich zur Verfügung steht. Wenn die Schnecke erst einmal aufgeheizt ist, kann durchlaufendes Fluid auch dann noch erwärmt werden, wenn das Bordnetz vorübergehend keine Heizenergie liefern kann, weil wichtigere Verbraucher im Fahrzeug vorrangig bedient werden müssen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Rohrgehäuse aus Kunststoff ist. Kunststoffe haben eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit, so dass Wärmeverluste an die Umgebung klein gehalten werden können. Um die thermische Isolierung weiter zu verbessern kann das Rohrgehäuse eine mehrlagige Wand oder eine Schaumstoff enthaltende Wand aufweisen. Das Rohrgehäuse kann dabei auch aus Metall, beispielsweise Stahl, gefertigt sein und einen thermisch isolierenden Kunststoffmantel aufweisen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Rohrgehäuse an seiner Innenseite porös ausgebildet ist. Auf diese Weise lässt sich der Wärmeübergang verbessern.
Der Innenraum der Schnecke kann passend zu den verwendeten Heizwiderständen bzw. der Form eines Heizstabes geformt werden. Der Innenraum kann beispielsweise einen runden Querschnitt haben oder einen streifenförmigen Querschnitt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Heizwiderstände PTC-Elemente verwendet werden, insbesondere keramische PTC-Elemente, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat. PTC-Elemente bieten vorteilhaft einen intrinsischen Schutz vor Überhitzung. Als Heizwiderstand kann aber beispielsweise auch Heizdraht verwendet werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Innenraum der Schnecke ein Rahmen angeordnet ist, der den wenigstens einen Heizwiderstand hält. Ein solcher Rahmen kann beispielsweise an einem Kontaktblech befestigt sein und Aufnahmen für PTC-Elemente aufweisen, insbesondere um keramische PTC-Elemente klemmend zu halten. Geeignete Rahmen sind beispielsweise in der EP 1 467 599 A2 beschrieben.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung;
2 eine Schnittansicht zu 1;
3 die Heizvorrichtung mit teilweise abgenommenem Rohrgehäuse; und
4 ein Kontaktblech mit einem Rahmen für PTC-Elemente.
Die in den 1 bis 3 gezeigte Heizvorrichtung ist als ein Durchlauferhitzer konzipiert. In einem Rohrgehäuse 1 ist eine Schnecke 2 angeordnet, die mit ihrem Gewindegang einen wendelförmigen Strömungskanal vorgibt. Die Schnecke 2 ist ein schraubenförmiger Körper mit einem eingängigen Gewinde. Der Zugang zu dem durch das Gewinde gebildeten Strömungskanal erfolgt durch Öffnungen in der Mantelfläche des Rohrgehäuses 1. Diese Öffnungen können mit Anschlussstutzen 3 versehen und beispielsweise auch in einer Stirnfläche des Rohrgehäuses 1 angeordnet sein.
Der Strömungskanal windet sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mehr als vier Mal um die Längsachse der Schnecke 2, beispielsweise sieben Mal. Je nach den Anforderungen einer gegebenen Anwendung kann sich der Strömungskanal auch häufiger um die Längsachse der Schnecke 2 winden. Zu diesem Zweck kann eine Schnecke 2 verwendet werden, die durch Aneinanderfügen von mehreren kürzeren Schnecken gebildet ist.
Die Schnecke 2 hat in ihrem Zentrum einen Innenraum 4, in dem wenigstens ein Heizwiderstand, vorzugsweise mehrere Heizwiderstände, angeordnet sind. Der Innenraum 4 erstreckt sich in Längsrichtung der Schnecke 2 und ist in einem Abstand von dem Strömungskanal angeordnet. Die Schnecke 2 umgibt den Innenraum 4 also auf seiner vollen Länge und umschließt ihn entlang seines gesamten Umfangs. Die in dem Innenraum 4 angeordneten Heizwiderstände sind deshalb durch die Schnecke 2 vor Kontakt mit der zu erwärmenden Flüssigkeit geschützt. Bevorzugt geht der Innenraum 4 von einem Ende der Schnecke 2 bis zu dem anderen Ende durch. Der Innenraum 4 kann aber auch als Sackloch ausgebildet sein.
Die Heizwiderstände können beispielsweise keramische PTC-Elemente sein. Derartige Heizwiderstände können in dem Innenraum 4 von einem Rahmen gehalten werden. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Rahmens 5 ist in 4 dargestellt. Der Rahmen 5 hält Heizwiderstände 6 klemmend in dafür vorgesehene Fächer, beispielsweise mittels Klemmnasen, und ist an einem Kontaktblech 7 befestigt. Die von den Heizwiderständen 6 abgewandte Rückseite des Kontaktblechs 7 ist durch eine Isolationsschicht elektrisch gegenüber der Schnecke 2 isoliert. Die Heizwiderstände 6 können auf einer Seite über die Schnecke 2 und auf der anderen Seite von einem Kontaktblech 7 elektrisch kontaktiert werden. Möglich ist es auch, dass die Heizwiderstände 6 zwischen zwei Kontaktblechen 7 angeordnet sind, die jeweils einen Rahmen 5 tragen können.
Um die Wärmeankopplung der Heizwiderstände 6 an die Schnecke 2 zu verbessern, kann auf einer Seite der Heizwiderstände 6 ein Federelement angeordnet sein, beispielsweise eine Blattfeder. Ein solches Federelement kann zwischen der Rückseite des bzw. eines der beiden Kontaktbleche und einer Wand des Innenraums 4 angeordnet sein, um Heizwiderstände 6 bzw. eines der beiden Kontaktbleche gegen die gegenüberliegende Wand des Innenraums 4 zu drücken. Alternativ oder zusätzlich kann der Innenraum 4 auch mit einer Füllmasse aufgefüllt werden, beispielsweise einem Pulver, einer Paste oder einer Vergussmasse, die im flüssigen Zustand in den Innenraum gegossen wird und sich später verfestigt.
Die Heizwiderstände 6 können Teil eines Heizstabs sein, der in dem Innenraum 4 angeordnet ist. Ein solcher Heizstab kann ein eigenes Rohrgehäuse haben. Mehrere Heizwiderstände 6 können aber auch durch einen Rahmen 5 zu einem Heizstab verbunden werden, der dann in den Innenraum 4 gesteckt werden kann.
Als Heizelement kann auch Widerstandsdraht verwendet werden. Der Widerstandsdraht kann z. B. in Form eines Mantelleiters zu einer Doppelwendel gewickelt sein und so in der Bohrung der Schnecke federnd anliegen. Das Heizelement kann aber auch eine Widerstandswendel sein, die in einem Heizstab dicht gepackt ist.
Der Heizstab wird gut wärmeleitend in die Schnecke 2 eingebaut, beispielsweise durch Einpressen.
Die Schnecke 2 kann aus Metall, beispielsweise Aluminium, hergestellt werden. Die Schnecke 2 kann gegossen werden oder durch Fräsen hergestellt werden. Die Oberfläche der Schnecke kann in ihrem Gewindegang aufgeraut sein, um die Wärmeabgabefläche zu erhöhen. Die Wärmeabgabefläche kann beispielsweise auch durch in dem Strömungskanal angeordnete Wärmeabgabeelemente, beispielsweise Rippen oder andere Vorsprünge, erhöht werden.
Die in den Strömungskanal hineinragenden Rippen können an der Schnecke 2 angeformt sein oder als separates Bauteil in die Schneckengänge eingelegt werden. Eine weitere Möglichkeit ist auch das Anformen von Rippen, z. B. als eine Innenschnecke an die Innenwand des Gehäuses 1. Das Gehäuse 1 kann aus zwei Halbschalen gefertigt sein. Es ist aber auch möglich, die Schnecke 2 in ein Rohrgehäuse einzuführen, beispielsweise mit einer Schraubbewegung.
Die Flanken des Gewindes werden bevorzugt nach außen hin immer dünner. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Wärmeabgabe erreicht, da die zu transportierende Wärmemenge umso kleiner ist, je größer der Abstand von dem Zentrum der Schnecke 2 ist.
Die höchste Energieübertragung an das Fluid findet in der Nähe des Schneckenkerns statt, da dort die Temperaturunterschiede am größten sind. Teilweise wird dies dadurch ausgeglichen, dass das Medium im äußeren Durchmesserbereich einen entsprechend weiteren Weg zurück legt und so mit einer größeren Wärmetauscherfläche in Kontakt kommt.
Außerdem können die beschriebenen Rippen auch zu einer guten Durchmischung des Mediums führen, so dass ein gleichmäßiges Durchheizen des Mediums erreicht wird.
Das Rohrgehäuse 1 soll dagegen ein schlechter Wärmeleiter sein und kann deshalb aus Kunststoff oder beispielsweise auch aus Stahl hergestellt werden. Zur Verbesserung der Wärmeisolation kann das Rohrgehäuse 1 zwei- oder mehrschalig ausgeführt sein, beispielsweise kann zwischen den Schalen ein isolierender Zwischenraum sein, der mit Gas oder einem isolierenden Material gefüllt ist. Insbesondere kann das Rohrgehäuse eine Schicht aus geschäumtem Kunststoff aufweisen.
An seinen beiden Enden ist das Rohrgehäuse 1 jeweils mit einem Deckel 8 verschlossen. Die beiden Deckel 8 haben eine Öffnung, die für elektrische Anschlüsse der Heizelemente 6 genutzt werden kann. Das oder die Kontaktbleche 7 können aus dem Rohrgehäuse 1 bzw. dem Deckel 8 herausragen. Der Anschluss der Heizwiderstände kann aber auch innerhalb des Rohrgehäuses 1 angeordnet sein.
Das Rohrgehäuse 1 kann auch von einer Hülse gebildet werden, die einen Boden aufweist. Beispielsweise können zwei derartige Hülsen auf entgegengesetzte Enden der Schnecke 2 aufgeschoben werden, um das Rohrgehäuse 1 zu bilden. Auch mit solchen Hülsen kann die Heizvorrichtung bei Bedarf mit einer großen Länge bzw. Heizleistung ausgebildet werden, indem mehrere Teilschnecken aneinander gefügt und so der Strömungskanal verlängert wird. In diesem Fall kann zwischen den beiden Hülsen ein Rohrabschnitt angeordnet werden, um das Rohrgehäuse 1 entsprechend zu verlängern.

Claims

Elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Fluiden, mit wenigstens einem Heizwiderstand (6), einer Schnecke (2), die einen wendelförmigen Strömungskanal vorgibt, und einem Rohrgehäuse (1), das die Schnecke (2) umgibt, wobei die Schnecke (2) einen Innenraum (4) hat, der in ihrer Längsrichtung in einem Abstand von dem Strömungskanal verläuft und in dem der wenigstens eine Heizwiderstand (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (2) ein Gewinde aufweist, dessen Flanken nach außen hin immer dünner werden und dessen Gewindegrund radial einwärts gewölbt ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (2) aus Metall ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrgehäuse (1) aus Kunststoff ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Heizwiderstand (6) ein PTC-Element ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (4) der Schnecke (2) mehrere Heizwiderstände (6) an- geordnet sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (4) im Zentrum der Schnecke (2) angeordnet ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (4) ein Rahmen (5) angeordnet ist, der den wenigstens einen Heizwiderstand (6) hält.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Heizwiderstand (6) Teil eines Heizstabs ist, der in dem Innenraum (4) steckt.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrgehäuse (1) an seinen Enden mit jeweils einem Deckel (8) verschlossen ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (4) von einem Ende der Schnecke (2) bis zu dem anderen Ende durchgeht.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (2) eine aufgeraute Oberfläche aufweist.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (2) in dem Strömungskanal angeordnete Wärmeabgabeelemente trägt.