DE102012107985B4

DE102012107985B4 - Heizstab

Info

Publication number: DE102012107985B4
Application number: DE102012107985.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Giffels; Ralph Wächter; Michael Luppold; Alexander Dauth; Klaus Lehmann
Original assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2023-06-22
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: CN103687109A; DE102012107985A1; US9486871B2; CN103687109B; US20140061174A1

Abstract

Heizstab, mit einem Gehäuserohr (1) und wenigstens einem in dem Gehäuserohr (1) angeordneten PTC Element (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuserohr (2) aus Blech geformt ist, wobei aneinander anliegende Blechabschnitte miteinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Blechstreifen, aus dem das Gehäuserohr (1) geformt ist, wenigstens ein Kühlelement (9) bildet, indem ein von der Schweißnaht (5) ausgehender Abschnitt des Blechstreifens von dem Gehäuserohr (1) absteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizstab. Ein Heizstab mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus US 7 332 693 A1 sowie EP 2 393 336 A1 bekannt. Einen ähnlichen Heizstab offenbart WO 2012 / 034 999 A1 .
Aus der WO 2007/071335 A1 ist eine Fahrzeugheizung bekannt, die mehrere Heizstäbe aufweist, deren Gehäuserohr ein Strangpressprofil ist. In dem Gehäuserohr sind PTC Elemente angeordnet, die zusammen mit einem Kontaktblech von einem Rahmen gehalten werden. Nach dem Einschieben des Rahmens mit den PTC Elementen und dem Kontaktblech werden die Gehäuserohre verpresst und so eine gute Wärmeankopplung der Gehäuserohre an die PTC Elemente erreicht. Ein Vorteil derartiger Heizstäbe ist, dass die einzelnen Bauteile von dem Gehäuserohr geschützt sind und von den PTC Elementen erzeugte Wärme über das Gehäuserohr gut verteilt abgegeben werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie Heizstäbe mit einem Gehäuserohr kostengünstiger hergestellt werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen Heizstab mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird das Gehäuserohr kostengünstig aus Blech hergestellt. Anstatt PTC Element und sonstige Bauteile in das Gehäuserohr einzuschieben, wird das Gehäuserohr um das PTC Element bzw. die PTC Elemente herum gebaut. Dazu wird ein Paket, das wenigstens ein PTC Element und wenigstens ein Kontaktelement enthält, rundum mit Blech bedeckt und dann durch Verschweißen aneinander anliegender Blechabschnitte ein Rohr gebildet.
Beispielsweise kann das Paket zwischen zwei Halbschalen angeordnet werden, die dann miteinander verschweißt werden, um ein Gehäuserohr zu bilden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Paket aber auch in einem an seiner Längsseite offenen Rohr angeordnet werden, das aus einem Blech geformt ist und an einer Längsseite offen ist. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Paket mit Blech zu umwickeln und dann aneinander anliegende Blechabschnitte zu verschweißen. Beim Umwickeln können sich Blechabschnitte überlappen und dann übereinander liegende Blechabschnitte miteinander verschweißt werden. Man kann aber auch aneinander anstoßende Ränder des Blechs miteinander verschweißen, um ein Rohr herzustellen.
Erfindungsgemäß aus Blech hergestellte Gehäuserohre sind wesentlich kostengünstiger als Strangpressprofile. Zudem ist ein Verpressen als separater Fertigungsschritt nicht erforderlich. Beim Verschließen und Verschweißen des Rohres kann nämlich eine federnde Kraft auf das Paket mit ausgeübt, so dass ein separates Verpressen mit plastischer Verformung des Rohres nicht erforderlich sind.
Wenn das Paket in das Rohr eingelegt wird, ist der Innenquerschnitt des noch an seiner Seite offenen Rohres größer als der Querschnitt des Pakets. Das Paket kann deshalb problemlos eingelegt werden. Erst beim Verschließen des Rohres wird eine federnde Kraft auf das Paket ausgeübt. Hierzu können eine oder mehrere Wände des Rohres nach innen gewölbt sein. Nach dem Verschweißen hätte das Rohr an sich eine geringere freie Innenhöhe als das eingelegt Paket mit dem PTC Widerstand, so dass eine nach innen gewölbte Wand federnd gegen das Paket drückt und so für einen guten elektrischen und thermischen Kontakt sorgt. Während herkömmliche Heizstäbe mit Rohrgehäusen aus Strangpressprofilen in einem separaten Fertigungsschritt verpresst werden müssen, ist dies bei einem erfindungsgemäßen Heizstab nicht zwingend erforderlich. Um den Kontakt zu verbessern, kann das Rohr eines erfindungsgemäßen Heizstabs nach dem Verschweißen an seinen Kanten verpresst werden. Hiefür ist jedoch eine verhältnismäßig geringe Kraft ausreichend.
Die beiden Enden des Gehäuserohrs können offen bleiben. Durch Falten oder Umbiegen von Blechabschnitten und anschließendes Verschweißen können aber auch ein Ende des Gehäuserohrs oder sogar beide Enden verschlossen werden.
Das Gehäuserohr kann beispielsweise als ein Flachrohr, insbesondere als ein Vierkantrohr, ausgebildet sein. Bevorzugt ist dabei, dass eine nach innen gewölbte Wand des Gehäuserohrs an einer Isolationsschicht anliegt, die ein Kontaktelement elektrisch von dem Gehäuserohr isoliert. Mit der nach innen gewölbten Wand lässt sich eine Vorspannung erzeugen, mit der das Gehäuserohr gegen die in ihm angeordneten Komponenten drückt. Vorteilhaft lässt sich so eine gute Wärmeankopplung des Gehäuserohrs an das PTC Element bzw. die PTC Elemente gewährleisten. Die gegenüberliegende Wand des Gehäuserohrs kann plan ausgebildet sein oder ebenfalls eine Wölbung aufweisen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Blechstreifen, aus dem das Gehäuserohr geformt ist, wenigstens ein Kühlelement bildet, indem wenigstens ein Abschnitt des Blechstreifens, der von der Schweißnaht ausgeht, von dem Rohr absteht. Bevorzugt geht von der Schweißnaht auf entgegen gesetzten Seiten jeweils ein Blechstreifenabschnitt aus, der von dem Gehäuserohr absteht und ein Kühlelement bildet. Um ein Gehäuserohr mit integrierten Kühlelementen zu bilden, kann man einen Blechstreifen zu einem Rohr biegen und dabei die Längsränder des Blechstreifen umbiegen, so dass die Biegekanten der umgebogenen Randabschnitte an einander anstoßen. Die beiden aneinander anliegenden Biegekanten werden dann miteinander verschweißt und dadurch das Rohr seitlich geschlossen. Von jeder Biegekante geht dann ein von dem Rohr abstehender Abschnitt des Blechstreifens aus und bildet ein Kühlelement. Es ist natürlich auch möglich, dass von der Schweißnaht nur ein einziges Kühlelement ausgeht, nämlich wenn ein Längsrand des Blechstreifens mit einer Biegekante verschweißt ist, von der ein abstehender Abschnitt des Blechstreifens ausgeht.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:

1 einen Fertigungsschritt bei der Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heizstabs;
2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizstabs in einem schematischen Querschnitt; und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizstabs in einem schematischen Querschnitt.

1 veranschaulicht die Herstellung eines Heizstabs für eine Heizung der Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs. Dieser Heizstab ist in Figur in einer schematischen Querschnittsansicht dargestellt. Der Heizstab hat ein Gehäuserohr 1, das ein PTC Element 2, ein Kontaktelement 3 und eine Isolationsschicht 4 umgibt. Der Heizstab wird hergestellt, indem zunächst ein Paket aus wenigstens einem PTC Element 2, wenigstens einem Kontaktelement 3 und wenigstens einer Isolationsschicht 4 gebildet wurde. Das Paket wird dann in einem aus Blech geformten Rohr angeordnet, das entlang einer Längsseite offen ist. Ein Beispiel hierfür ist in 1 schematisch dargestellt. Zur Herstellung des Heizstabs kann ein vorgeformter Blechstreifen verwendet werden, an dem die vier Kanten des Gehäuserohrs durch Biegungen des Blechstreifens schon ausgebildet sind.
Das Paket kann auch in einem Rohr angeordnet werden, das entlang von zwei Längsseiten offen ist, also beispielsweise durch zwei aufeinander gesetzte Halbschalen gebildet ist.
Aneinander anliegende Abschnitte des Blechs werden dann miteinander verschweißt und dadurch das so gebildete Gehäuserohr 1 seitlich verschlossen. Das Gehäuserohr 1 weist deshalb eine sich in seiner Längsrichtung erstreckende Schweißnaht 5 auf.
Wenn das Paket in das Rohr eingelegt wird, ist der Innenquerschnitt A des offenen Rohres größer als der Querschnitt des Pakets. Das Paket kann deshalb problemlos eingelegt werden. Erst beim Verschließen des Rohres wird eine federnde Kraft auf das Paket ausgeübt.
Die aneinander anliegenden Abschnitte des Blechstreifens können überlappen oder an ihren Längsrändern aneinander anstoßen, wie dies in 2 dargestellt ist. Die Schweißnaht 5 kann eine durchgehende Schweißnaht sein oder aus einzelnen Schweißpunkten bestehen, die in einem Abstand von einander angeordnet sind.
Der Heizstab kann eine beliebige Anzahl von PTC Elementen 2 enthalten. Die PTC Elemente 2 sind bevorzugt keramische PTC Elemente, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat. Durch die Verwendung von PTC Elementen als Heizwiderstände lässt sich vorteilhaft ein Schutz vor Überhitzung erreichen. Als Kontaktelement 3 kann beispielsweise ein Blechstreifen verwendet werden.
Das wenigstens ein PTC Element 2 enthaltende Paket kann mit einem in 1 nicht gezeigten Rahmen zu einer gut handhabbaren Einheit vormoniert werden. Ein solcher Rahmen ist bevorzugt aus Kunststoff. Ein oder mehrere PTC Elemente 2 können in einem Rahmen klemmend gehalten werden. Hierfür kann der Rahmen beispielsweise Klemmnasen aufweisen. Der Rahmen kann an dem Kontaktelement 3 befestigt sein, beispielsweise auf das Kontaktelement 3 aufgeschoben oder um das Kontaktelement 3 herumgespritzt sein. Geeignete Rahmen sind beispielsweise aus der EP 1 467 599 A2 bekannt.
Bei dem dargestellten Heizstab wird das PTC Element 2 nur an seiner Oberseite 7 von einem Kontaktelement 3 kontaktiert. Die Unterseite 6 des PTC Elements 2 wird von dem Gehäuserohr 1 kontaktiert. Alternativ können aber auch zwei Kontaktelemente 3 verwendet werden, die jeweils mit einer Isolationsschicht 4 elektrisch gegenüber dem Gehäuserohr 1 isoliert sind und zwischen denen das PTC Element 2 oder die PTC Elemente 2 angeordnet sind.
Das Gehäuserohr 1 ist ein Flachrohr. An seinen Enden kann das Gehäuserohr offen bleiben oder mit einem Verschlusselement, beispielsweise einem Stopfen, verschlossen werden. Möglich ist es auch ein Ende des Gehäuserohrs durch Umbiegen oder Falten und Verschweißen von Blechabschnitten zu verschließen.
Die Schweißnaht 5 befindet sich bei dem in 2 dargestellten Beispiel an einer Schmalseite des Gehäuserohrs 1, kann aber auch an einer Breitseite angeordnet sein. Bevorzugt verläuft die Schweißnaht 5 parallel zu Kanten des Gehäuserohrs 1.
Das Gehäuserohr 1 kann eine oder mehrere gewölbte Seitenwände aufweisen. Beispielsweise kann die Isolationsschicht 4 an einer nach innen gewölbten Seitenwand 8 anliegen. Auf diese Weise kann eine Vorspannung erzeugt werden, mit der das Gehäuserohr 1 gegen die Isolationsschicht 4 drückt. Vorteilhaft kann so eine gute Wärmeankopplung des Gehäuserohrs 1 an das PTC Element 2 erreicht werden. Die gegenüberliegende Seitenwand ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel plan, kann aber auch nach innen gewölbt ausgebildet sein. Die Vorspannung lässt sich vergrößern, indem zusätzlich zu der Breitseite 8 auch die beiden Schmalseiten 11 des Gehäuserohrs 1 nach innen gewölbt sind.
Eine Wölbung in einer Seitenwand 8, 11 des Gehäuserohrs 1 kann man beispielsweise erzeugen, indem man beim Biegen des Blechstreifen zu einem Rohr den Blechstreifen zwischen Biegestellen, welche später Kanten des Gehäuserohrs 1 bilden, eindrückt. Wenn die aneinander anliegenden Abschnitte miteinander verschweißt werden, sind die Seitenwände 8, 11 dann bereits eingebuchtet. Die Wölbung der Seitenwand 8 wird dabei durch Andrücken an die Isolationsschicht 4 reduziert, so dass sich eine vorteilhafte große Kontaktfläche ergibt, über die Wärme effizient abgeleitet werden kann. Alternativ können an einer Seitenwand auch mehrer Wölbungen vorgesehen sein, die nebeneinander angeordnet sind.
Bei dem fertigen Heizstab drückt die Seitenwand 8 einer Breitseite des Rohres federnd gegen das Paket mit dem PTC Element 2 und sorgt so für eine gute elektrische und thermische Kontaktierung des PTC Elements. Um diese Kontaktierung zu verbessern und die Kraft zu erhöhen, mit die Seitenwand 8 gegen das Paket drückt, kann das Gehäuserohr 1 an seinen Kanten 10 verpresst werden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heizstabes, der sich von dem vorstehend beschriebenen Heizstab im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass der Blechstreifen, aus dem das Gehäuserohr 1 gebildet ist, zusätzlich auch zwei Kühlelemente 9 bildet. Die beiden Längsränder des Blechstreifens, aus dem das Gehäuserohr 1 gebildet ist, sind umgebogen und die entsprechenden Biegestellen mit der Schweißnaht 5 verschweißt. Von der Schweißnaht 5 geht deshalb auf beiden Seiten jeweils ein Randabschnitt des Blechstreifens aus. Wie 2 zeigt, steht dieser Randabschnitt von dem Gehäuserohr 1 ab, so dass er von einem zu erwärmenden Fluid umströmt und an dieses Wärme abgeben kann.
Vorteilhaft ist dabei, wenn vor dem Verschweißen die beiden Schenkel der Seitenwand eine separate Innenwölbung aufweisen. Beim Zusammenfügen und Verschweißen der Schenkel werden diese gegen das den PTC Widerstand enthaltende Paket gedrückt und jeder Schenkel der Seitenwand drückt federnd gegen das Paket.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel ist die Schweißnaht 5 an einer Breitseite des Gehäuserohrs 1 angeordnet. Man kann die Schweißnaht 5 mit den von ihr ausgehenden Kühlelementen 9 aber auch an einer Schmalseite des Gehäuserohrs vorsehen.

Claims

Heizstab, mit einem Gehäuserohr (1) und wenigstens einem in dem Gehäuserohr (1) angeordneten PTC Element (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuserohr (2) aus Blech geformt ist, wobei aneinander anliegende Blechabschnitte miteinander verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Blechstreifen, aus dem das Gehäuserohr (1) geformt ist, wenigstens ein Kühlelement (9) bildet, indem ein von der Schweißnaht (5) ausgehender Abschnitt des Blechstreifens von dem Gehäuserohr (1) absteht.
Heizstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuserohr (1) aus einem Blechstreifen geformt ist, der zu einem das PTC Element (2) umgebenden Rohr gebogen ist, dessen Mantelfläche durch eine in seiner Längsrichtung verlaufende Schweißnaht (5) verschlossen ist.
Heizstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC Element (2) ein keramisches PTC Element ist.
Heizstab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuserohr (1) ein Flachrohr ist.
Heizstab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuserohr (1) eine nach innen gewölbte Seitenwand (8) aufweist, die an einer Isolationsschicht (4) anliegt.
Heizstab nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuserohr (1) nach innen gewölbte Schmalseiten (11) aufweist.