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Elektrische Heizsysteme in Fahrzeugen zur Temperierung von Flüssigkeiten wie etwa Kraftstoffen oder Harnstoff sind im Stand der Technik bekannt. Dabei werden vielfach sogenannte PTC-Elemente eingesetzt. Ein PTC-Element (PTC = Positive Temperature Coefficient), auch Kaltleiter genannt, ist ein elektrischer Widerstand, der bei tiefen Temperaturen einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist als bei hohen Temperaturen. Im vorliegenden Anwendungsfall kommen überwiegend PTC-Elemente auf Keramikbasis zum Einsatz. Diese weisen gewöhnlich einen nichtlinearen Widerstandsverlauf auf. Dies ist in der PTC-Kennlinie der 1 dargestellt. Auf der linearen Abszisse des Diagramms ist die Temperatur in Grad Celsius, auf der logarithmisch skalierten Ordinate des Diagramms ist der elektrische Widerstand in Ohm aufgetragen. Es ergibt sich für den vorliegenden Anwendungsfall ein nutzbarer Temperaturbereich, der hier zwischen Rmin und Rnorm, definiert ist. Der oberhalb von Rnorm stark ansteigende Widerstand begrenzt den durch das PTC-Element fließenden Strom und verhindert eine Überhitzung des Elements. Es stellt sich somit bei konstanter Spannung eine sich selbst einregelnde Betriebstemperatur, beispielsweise von etwa 120° C, ein.
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Aus der
GB 2 114 409 A ist ein Fluidfilter zu entnehmen mit einer Heizeinrichtung, um den Auswirkungen von niedrigen Temperaturen auf Flüssigkeiten entgegenzuwirken. Heizmittel dienen zum Erwärmen eines Gehäuses, in dem die Flüssigkeit enthalten ist, Die Heizmittel weisen eine Basis mit einer darauf aufgedruckten elektrischen Schaltung auf, wobei Mittel zum Befestigen der Heizmittel an dem Gehäuse vorgesehen sind.
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Der
US 4 406 785 A ist eine Heizvorrichtung für Dieselkraftstoff zu entnehmen, bei der ein PTC-Element zum Erwärmen des Kraftstoffs in einen flüssigen Zustand vorgesehen ist, so dass die Motorleistung, insbesondere für den Motorstart, verbessert wird. Der Heizer ist kompakt und wird bevorzugt in einem Kraftstofffiltergehäuse integriert. Die Heizvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse und einer PTC-Montageplatte, die beide in dem Kraftstofffiltergehäuse über dem Filterelement angebracht sind. Ein vorzugsweise ringförmiger Kraftstoffströmungskanal zwischen dem Gehäuse und der PTC Montageplatte ist geeignet, den Kraftstoff direkt über den Kaltleiter strömen zu lassen während der Kraftstoff von Gehäuseeinlass zu dem Filterelement strömt.
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Die
US 4 325 344 A zeigt einen Kraftstoffverdampfer für die Verwendung in einem Kraftstoffeinlasssystem einer Brennkraftmaschine: Ein Heizelement aus Keramik mit einem PTC-Element, einer thermisch leitenden Deckplatte, die das Heizelement in dem Kraftstoffeinlasssystem umfasst, und eine Leiteinrichtung, die elektrisch das Heizelement elektrisch mit einer Stromquelle verbindet. Die Leiteinrichtung umfasst zwei elektrische Schaltkreise und Schaltmittel, die einen Schaltkreis schalteten, wahlweise parallel oder in Reihe, je nach Betriebszustand des Motors.
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Wie aus der PTC-Kennlinie aus 1 ersichtlich durchläuft ein derartiges PTC-Element, ausgehend von der Umgebungstemperatur von beispielsweise etwa 20 °C, nach dem Einschalten und der sich daran anschließenden Erwärmung einen Punkt der PTC-Kennlinie, an dem das PTC-Element seinen minimalen Widerstand Rmin aufweist. An diesem Punkt fließt - beispielsweise für etwa 10 Sekunden oder weniger - der maximale Strom durch das PTC-Element. Dieser ist gegenüber dem Stromfluss am Normalbetriebspunkt deutlich erhöht. Bei bekannten Systemen kann dieser während des Einschalt- und Aufwärmvorgangs auftretende maximale Stromwert 20 % bis 40 % über dem Stromwert im Normalbetriebspunkt sein. Alle elektrischen Komponenten wie etwa Sicherungen oder elektrische Leitungen zur Ansteuerung und Stromversorgung des PTC-Elementes müssen auf diesen hohen Einschaltstrom ausgelegt sein. Dies bedeutet einen für den Normalbetrieb unnötig hohen Aufwand.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und ein Heizsystem für einen Filter für Flüssigkeiten wie Kraftstoff oder Harnstoff anzugeben, der kostengünstiger hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Filter gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Filter für Flüssigkeiten wie Kraftstoffe oder Harnstoffe umfasst ein Filtergehäuse mit einem Einströmbereich. Im Einströmbereich ist eine Heizvorrichtung angeordnet. Die Heizvorrichtung weist eine elektrisch und thermisch leitfähige Kontaktplatte auf, die zumindest indirekt in thermischen Kontakt mit der zu filternden Flüssigkeit steht. Des Weiteren ist eine elektrisch leitfähige Kontaktstruktur sowie mindestens zwei PTC-Heizelementgruppen vorgesehen, wobei jede PTC-Heizelementgruppe zumindest ein PTC-Heizelement umfasst. Jede PTC-Heizelementgruppe ist mit dem Kontaktelement elektrisch und thermisch und mit der Kontaktstruktur elektrisch verbunden. Bei Anlegen einer Spannung zwischen der Kontaktplatte und der Kontaktstruktur fließt ein Strom durch die PTC-Heizelemente und die PTC-Heizelementgruppen erwärmen sich, wodurch eine thermische Heizleistung an die Flüssigkeit abgebbar ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Schaltvorrichtung vorgesehen ist, die mit der Kontaktplatte und der Kontaktstruktur elektrisch verbunden ist. Die Schaltvorrichtung ist dazu eingerichtet, die erste und die zweite PTC-Heizelementgruppe in einem ersten Schaltzustand in einer Parallelschaltung und in einem zweiten Schaltzustand in einer Reihenschaltung miteinander zu verbinden. Durch die Möglichkeit, zwischen den zwei elektrischen Schaltzuständen beziehungsweise Beschaltungsvarianten „parallel“ und „in Reihe“ umzuschalten, kann beim Durchlaufen des Bereichs der PTC-Kennlinie mit minimalem Widerstand Rmin die Parallelschaltung gewählt werden. Dies reduziert den maximalen Strom während der Einschalt- beziehungsweise Erwärmungsphase deutlich.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Schaltzustand während eines Aufheizvorgangs und/oder während einer Phase verringerter thermischer Heizleistung einnehmbar ist. Es ist also durch die vorliegende Erfindung möglich, durch Umschalten der Heizvorrichtung zwischen Reihen- und Parallelbetrieb eine von zwei Leistungsstufen zu wählen. Hierdurch kann in einem gewissen Rahmen bedarfsgerecht geheizt werden.
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Bei einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass jede PTC-Heizelementgruppe einen ersten und einen zweiten elektrischen Pol aufweist, wobei der erste elektrische Pol der ersten PTC-Heizelementgruppe von dem ersten elektrischen Pol der zweiten PTC-Heizelementgruppe getrennt ist und der zweite elektrische Pol der ersten PTC-Heizelementgruppe mit dem zweiten elektrischen Pol der zweiten PTC-Heizelementgruppe verbunden ist. Dies stellt eine einfache und kostengünstige Realisierung des Erfindungsgedankens vor. Das Separieren des ersten Pols der PTC-Heizelementgruppen und das Legen des zweiten elektrischen Pols auf ein gemeinsames Potential erlaubt auf einfache Weise ein Parallel- und Seriellschalten.
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Dementsprechend ist bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass in dem ersten Schaltzustand die ersten elektrischen Pole der PTC-Heizelementgruppen auf gleichem Potential liegen, insbesondere auf Bordnetzpotential, und die zweiten elektrischen Pole auf Masse liegen. Dies stellt eine einfache und kostengünstige Realisierung des Parallelbetriebs dar, der vorzugsweise im Dauerheizzustand und bei maximaler Leistungsabgabe eingenommen wird.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass in dem zweiten Schaltzustand die beiden ersten elektrischen Pole auf verschiedenem Potential, insbesondere einer auf Masse und einer Bordnetzpotential, liegen und die zweiten elektrischen Pole floatend sind. Dies realisiert eine einfache Reihenschaltung, bei der der zweite elektrische Pol als Verbindung zwischen den beiden PTC-Heizelementgruppen fungiert.
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Bei einer ebenfalls erfindungsgemäßen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schaltvorrichtung dazu eingerichtet ist, einen dritten Schaltzustand einzunehmen, bei dem einer der ersten elektrischen Pole potentialfrei, das heißt weder auf Masse noch auf Bordnetzpotential - auch floatend genannt -, und der andere der ersten elektrischen Pole sowie die zweiten elektrischen Pole auf Masse liegen. In diesem Zustand ist die Heizvorrichtung des Filters ausgeschaltet.
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Es wird nun die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine PTC-Kennlinie eines herkömmlichen PTC-Heizelements;
- 2 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Filters;
- 3 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung;
- 4 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung;
- 5 eine ebenfalls alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung; und
- 6 ein Diagramm des durch die Heizelemente fließenden Stroms in verschiedene Schaltzustände.
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Die in 1 gezeigte PTC-Kennlinie wurde bereits im einleitenden Teil der Beschreibung erläutert und wird hier nicht weiter beschrieben.
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Filter 100. Der Filter 100 weist ein Gehäuse 110 auf. Über eine Zuführleitung 120 ist die zu filternde Flüssigkeit, beispielsweise Kraftstoff oder Harnstoff, einem Einströmbereich 130 zuführbar. Über den Einströmbereich 130 gelangt die zu filternde Flüssigkeit in Kontakt mit dem Filtermedium 140. Bei der dargestellten Ausführungsform sind sowohl das Filtermedium 140 als auch der gesamte Filter 100 im Wesentlichen zylinderförmig um eine Auslassleitung 150 angeordnet, die etwa entlang der Rotationsachse eines solchen Zylinders verläuft. Diese Anordnung ist lediglich beispielhaft, es sind auch andere räumliche Ausgestaltungen und Anordnungen möglich. Durch Einlassöffnungen 155 gelangt die filtrierte Flüssigkeit in die Auslassleitung 150 und wird aus dem Filter 100 abgeführt. Es ist hierbei darauf hinzuweisen, dass der beschriebene Aufbau eines Filters beispielhaft ist und lediglich zur Veranschaulichung des Erfindungsgedankens dienen soll.
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Im Einströmbereich 130 ist eine Heizvorrichtung 200 vorgesehen. Die Heizvorrichtung weist eine Kontaktplatte 210 auf. Die Kontaktplatte ist so angeordnet, dass sie beim Einströmen des zu filternden Mediums in direkten thermischen Kontakt mit diesem gelangt. In direktem elektrischen und thermischen Kontakt mit der Kontaktplatte 210 stehen PTC-Heizelemente 220 auf Oxidkeramikbasis. Die PTC-Heizelemente können beispielsweise im Wesentlichen zylinderförmig sein und vorzugsweise einen Durchmesser von 10-20 mm bei einer Höhe von 1-2 mm aufweisen. Die PTC-Heizelemente sind zu Gruppen angeordnet, wie anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert wird. Die PTC-Heizelemente weisen üblicherweise ja an ihrer Oberseite und an ihrer Unterseite eine Kontaktstelle, auch Pol genannt, auf. Durch die vorliegende Anordnung ist also der erste Pol des zweipoligen PTC-Heizelements 220 mit der Kontaktplatte 210 verbunden. Der zweite elektrische Pol des PTC-Heizelements 220 ist mit einer Kontaktstruktur 230 elektrisch verbunden. Die Kontaktplatte 210 sowie die Kontaktstruktur 230 können als einfache metallische plattenförmige Kontaktbleche ausgeführt sein. Die Kontaktstruktur 230 kann aber auch in die Gehäusestruktur des Gehäuses 110 integriert sein.
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3 zeigt schematisch ein Schaltungskonzept einer ersten Ausführungsform der Heizvorrichtung
200. Die PTC-Heizelementgruppen werden durch zwei einzelne PTC-Heizelemente
221,
225 repräsentiert. Der erste Pol des ersten PTC-Heizelements
221 ist über die Leitungen
231 mit einer Steuervorrichtung
300 verbunden. Der erste Pol des zweiten PTC-Heizelements
225 ist über die Leitungen
232 mit der Steuervorrichtung
300 verbunden. Es bildet somit das erste PTC-Heizelement
221 eine erste PTC-Heizelementgruppe
222, das zweite PTC-Heizelement
225 bildet eine zweite PTC-Heizelementgruppe
226. Der gemeinsame zweite Pol der PTC-Heizelementgruppen
222,
226 ist über die Leitungen
233 mit der Steuervorrichtung
300 verbunden. Die Steuervorrichtung
300 kann über das folgende Schaltkonzept eine Parallel- und eine Reihenschaltung sowie eine potentialfreie Schaltung realisieren:
Tabelle 1
| Kontakt\Schaltzustand | Aus | Start | Normal |
| 231 | potentialfrei | + | + |
| 232 | Masse | Masse | + |
| 233 | Masse | potentialfrei | Masse |
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Erläuterung zur Tabelle 1:
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Der Tabelleneintrag „potentialfrei“ soll darstellen, dass an dem entsprechenden Anschluss weder Masse noch Bordnetzpotenzial anliegt. Das Symbol „+“ soll wiedergeben, dass an dem entsprechenden Anschluss beispielsweise das Bordnetzpotenzial von 12 V anliegt. Dies kann selbstverständlich entsprechend den Anforderungen auch andere Spannungswerte betragen, etwa 24 V oder 48 V. Der Begriff „Masse“ soll widerspiegeln, dass der entsprechende Anschluss auf dem gemeinsamen Bezugspotential liegt.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der sieben PTC-Heizelemente in der Heizvorrichtung 200 vorgesehen sind. Die PTC-Heizelemente 241 - 244 bilden eine erste PTC-Heizelementgruppe 248, die PTC-Heizelemente 245 - 247 bilden eine zweite PTC-Heizelementgruppe 249. Die gesamte Anordnung der Heizvorrichtung 200 ist in Form eines Ringabschnitts, um entsprechenden Bauraumgegebenheiten in dem Filter 100 Rechnung zu tragen. Beispielsweise könnte die Ablaufleitung 150 im Inneren der ringförmigen Anordnung der Heizvorrichtung 200 angeordnet sein. Es ergeben sich die analogen Schaltzustände zu der bezüglich 3 beschriebenen Ausführungsform.
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5 zeigt eine Ausführungsform der Heizvorrichtung
200, bei der als mehr als zwei PTC-Heizelementgruppen realisiert sind. Jedes PTC-Heizelement
251 -
253 bildet eine eigene PTC-Heizelementgruppe
261 -
263. Es ergibt sich somit für die Anschlüsse
271 -
274 der PTC-Heizelemente
251 -
253 und des gemeinsamen Anschlusses folgendes Schaltkonzept:
Tabelle 2
| Kontakt\Schaltzustand | Aus | Start | Normal |
| 271 | potentialfrei | + | + |
| 272 | Masse | 271 | + |
| 273 | Masse | Masse | + |
| 274 | Masse | potentialfrei | Masse |
Neben den bereits oben zu Tabelle 1 erläuterten Symbolen ist hier in Tabelle 2 zusätzlich zu bemerken, dass die eingetragenen Ziffern eine entsprechende Verbindung des jeweiligen Anschlusses mit dem entsprechenden Bezugszeichen darstellen sollen. Im vorliegenden Fall ist also während des Startvorgangs der Anschluss
272 mit dem Anschluss
271 verbunden. Somit ergibt sich in der Startphase eine Parallelschaltung der beiden PTC-Heizelemente
251 und
252, die selbst wiederum in Reihe geschaltet sind mit dem PTC-Heizelement
253, um so den Maximalstrom in der Startphase zu begrenzen.
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Die Wirkung der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 6 erläutert. In diesem Zeit-Strom-Diagramm ist die Stromaufnahme einer erfindungsgemäßen PTC-Heizung gemäß der Erfindung einem herkömmlichen PTC-Heizer gegenübergestellt. Der Zeitverlauf gliedert sich in drei Bereiche A, B und C. In dem Zeitbereich A wird der Heizvorgang ausgehend von einer Umgebungstemperatur gestartet. Erfindungsgemäß befindet sich in diesem Fall die PTC-Heizvorrichtung 200 in ihrem Start-Schaltzustand, das heißt die PTC-Heizelemente werden in Reihe betrieben. Dies ist in dem vorliegenden Diagramm als durchgezogene Linie im Bereich A dargestellt. Durch die Parallelschaltung liegt an jedem PTC-Heizelement nur die halbe Gesamtspannung an. Da der Gesamtwiderstand durch die Reihenschaltung der PTC-Heizelemente verdoppelt wird, fließt nur ein Viertel des eigentlich zu erwartenden Stroms. Dieser ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt, die einem Stromverlauf bei einem herkömmlichen PTC-Heizelement mit konstantem Widerstand und gleicher Leistung im Normalbetrieb entspricht.
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Im nachfolgenden Zeitfenster B, dem Nominal- bzw. Normalbetrieb der Heizung, werden die PTC-Heizelemente parallel betrieben, das heißt, die Schaltvorrichtung befindet sich im zweiten Normal- bzw. Parallelschaltzustand. Es liegt dann die komplette Bordnetzspannung an den PTC-Heizelementen an. Diese befinden sich nun bereits im thermischen Arbeitspunkt und haben einen gegenüber dem minimalen Widerstand Rmin erhöhten Widerstand. In diesem Fall ist die nominelle Heizleistung identisch mit der einer herkömmlichen PTC-Heizvorrichtung, bei der zwei PTC-Heizelemente fest parallel geschaltet sind.
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Erfindungsgemäß kann die PTC-Heizvorrichtung auch eine Heizung mit reduzierter Leistung realisieren. Dabei werden die PTC-Heizelemente in Reihe betrieben. Dies ist in dem Zeitfenster C veranschaulicht. Es stellt sich gezielt eine reduzierte Heizleistung ein für den Fall, dass eine geringere Wärmeabgabe erforderlich ist. Dies verringert gleichzeitig die Belastung des Bordnetzes.
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Insgesamt können durch Umschalten zwischen den Betriebsarten „in Reihe“ und „parallel“ beim Start der PTC-Heizvorrichtung unnötig hohe Anlaufströme vermieden werden und bei Bedarf die Heizleistung der PTC-Heizvorrichtung reduziert werden.
