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Die Erfindung betrifft einen Fluidheizer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Verfahren zur Herstellung eines derartigen Fluidheizers.
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Mittels derartiger Fluidheizer wird die elektrisch erzeugte Wärme an ein Fluid z.B. Wasser oder eine Wasser/Glykol-Mischung übertragen. Problematisch dabei ist, dass die elektrische Heizeinheit von dem Fluid elektrisch isoliert werden muss, und gleichzeitig die Wärme möglichst unvermindert an das Fluid übertagen werden soll.
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Die Druckschrift
JP 2005-114352 A zeigt einen Fluidheizer, bei dem ein elektrischer Heizdraht in einen Keramik-Körper eingesetzt ist. Der Keramik-Körper ist in eine pulverförmige elektrische Isolation aus Aluminiumnitrid oder Bornitrid eingebettet. Zwischen der Isolation und dem zu erhitzenden Fluid ist abschließend ein rohrförmiges Metallteil vorgesehen, das den Mantel des Heizdrahts und des Keramik-Körpers und der elektrischen Isolation bildet. Das rohrförmige Metallteil wird von dem Fluid unmittelbar umströmt.
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Nachteilig an derartigen Fluidheizern ist, dass die in dem Heizdraht erzeugte Wärme den Keramik-Körper und die Isolation und das rohrförmige Metallteil durchdringen muss, bevor sie an das Fluid übertagen werden kann.
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In der
EP 2 499 436 B1 bzw. in der
WO2011/054970 A2 ist einer Wasserheizer offenbart, der einen gewendelten Rohheizkörper aufweist, in dem konzentrisch ein Draht-Widerstandsheizelement angeordnet ist. Dabei ist der Raum zwischen dem Draht-Widerstandsheizelement und dem Mantel des Rohrheizkörpers mit einer pulverförmigen elektrischen Isolation aus Magnesiumoxid (MgO) aufgefüllt, so dass das Widerstandsheizelement direkt in der Isolation eingebettet ist. Damit ist die Wärmeübertragung von dem Widerstandsheizelement an den Mantel des Rohrheizkörpers verbessert. Nachteilig an derartigen Wasserheizern sind das hohe Gewicht und der benötigte Bauraum.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Fluidheizer und ein Verfahren zu dessen Fertigung zu schaffen, bei dem der Wärmeübergang an das Fluid verbessert ist, und der dabei ein geringeres Gewicht und einen kleineren Bauraum aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Fluidheizer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidheizers mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Der beanspruchte Fluidheizer hat zumindest ein metallisches Heizelement, das einen signifikanten elektrischen Widerstand aufweist. Weiterhin ist ein Strömungspfad für ein zu erhitzendes Fluid vorgesehen, in dem das Heizelement angeordnet ist. Zwischen dem Heizelement und dem Strömungspfad sind ein rohrförmiger Mantel und weiterhin zur elektrischen Isolierung und zur thermischen Leitung eine Isolation vorgesehen. Die Isolation besteht zumindest teilweise aus einem pulverförmigen oder feinkörnigen Material, das vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit z.B. von mindestens 25 W/m*K aufweist. Das Heizelement ist direkt in die Isolation eingebettet. Mit dem Isolationsmaterialwird der Wärmestrom ausgehend vom metallischen Heizelement durch die Isolation und durch den Mantel zum Fluid gegenüber Magnesiumoxid deutlich erhöht. Daher steht am Mantel eine deutlich höhere Temperatur zur Verfügung. Um die gleiche Heizleistung zu erzeugen, kann die dafür benötige Wärmeabstrahlfläche bzw. Mantelfläche deutlich verringert werden. Somit können das Gewicht und der Bauraum des erfindungsgemäßen Fluidheizers reduziert werden.
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Die Isolation besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus Bornitrid (BN) und/oder Aluminiumnitrid (AlN). Statt dem Bornitrid bzw. Aluminiumnitrid können auch folgenden Isolationsmaterialen zum Einsatz kommen: AlO, Si, TiN, SiN, SiC, SiO, BeO.
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Vorzugsweise sind das zumindest eine Heizelement und der jeweilige Mantel einschließlich der Isolation etwa konzentrisch zueinander angeordnet und zu einem jeweiligen Rohrheizkörper weitergebildet.
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Vorzugsweise ist das Heizelement ein Heizdraht, der sich über die Gesamtlänge des Rohrheizkörpers erstreckt, und der beide Öffnungen an beiden Endabschnitten des Mantels durchdringt.
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Der Wärmeübergang von dem Heizelement zu dem Fluid ist weiter verbessert, wenn ein Durchmesser des Mantels während der Fertigung des Fluidheizers radial vermindert ist, wodurch die Isolation verdichtet ist. Weiterhin ist dadurch die Isolation einerseits an das Heizelement und andererseits an den Mantel gepresst. Durch die radiale Verminderung ist die zwischen den einzelnen Körnern des Isolationsmaterials befindliche Luft, die einer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit entgegenwirkt, verdrängt. Dadurch ist auch einer Korrosion des Heizelementes - insbesondere des Heizdrahtes - entgegengewirkt. Weiterhin ist durch die radiale Verminderung die Position des mit Strom durchflossenen Heizelementes - insbesondere des Heizdrahtes - fixiert. So ist bei Vibrationen oder einem Crash eines Fahrzeugs, in dem der erfindungsgemäße Fluidheizer verbaut ist, ein Durchschlagen der Spannung vom Heizelement zum Mantelrohr und zu der zu erwärmenden Flüssigkeit vermieden.
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Zu Reduzierung der Kosten kann die Isolation neben dem erstgenannten Isolationsmaterial ein weiteres Isolationsmaterial aufweisen. Das weitere Isolationsmaterial kann Magnesiumoxid (MgO) sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist aus dem weiteren Isolationsmaterial ein gesintertes Rohr gebildet, das am Innenumfang des Mantels anliegt. Wenn dabei der Durchmesser des Mantels radial vermindert ist und damit die Isolation verdichtet ist, ist auch der Durchmesser des gesinterten Rohrs radial vermindert. Daher kann das gesinterte Rohr zerstört sein.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind die beiden Isolationsmaterialien homogen gemischt.
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Zur Bauraumminimierung des erfindungsgemäßen Fluidheizers kann der zumindest eine Rohrheizkörper gewendelt sein. Vorzugsweise sind die beiden Endabschnitte des Rohrheizkörpers etwa parallel zueinander ausgerichtet. Dann kann benachbart zu dem zumindest einen gewendelten Rohrheizkörper die Bauraum sparend Stromversorgung Fluidheizers bzw. des zumindest einen Rohrheizkörpers angeordnet werden.
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Vorzugsweise sind mehrere z.B. zwei oder drei Rohrheizkörper vorgesehen. Diese können baugleich sein, um den Fluidheizer fertigungstechnisch und montagetechnisch einfach zu gestalten und/oder um ihn modular in verschieden gleichmäßig gestuften Leistungsklassen bauen zu können. Die Rohrheizkörper können auch unterschiedlich sein um einer zunehmenden Erhitzung des Fluids entlang seiner Strömungsrichtung zu entsprechen und die Erhitzung zu optimieren.
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Vorzugsweise sind die gewendelten Rohrheizkörper entlang einer gemeinsamen Mittelachse ausgerichtet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Fertigung eines vorbeschriebenen Fluidheizers mit einem Heizelement, das einen elektrischen Widerstand aufweist, und das in einem Strömungspfad für ein zu erhitzendes Fluid angeordnet wird. Zwischen dem Heizelement und dem Strömungspfad werden eine Isolation und ein rohrförmiger Mantel angeordnet. Durch Einfüllen des Isolationsmaterials in den zumindest einen Mantel wird das Heizelement direkt in die Isolation eingebettet. Mit diesen Fertigungsverfahren kann der Wärmestrom ausgehend vom metallischen Heizelement durch die Isolation und durch den Mantel zum Fluid deutlich erhöht werden. Daher steht am Mantel ein eine deutlich höhere Temperatur zur Verfügung. Um die gleiche Heizleistung zu erzeugen, kann die dafür benötige Wärmeabstrahlfläche bzw. Mantelfläche deutlich verringert werden. Somit können das Gewicht und der Bauraum des erfindungsgemäßen Fluidheizers reduziert werden.
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Der Wärmeübergang von dem Heizelement zu dem Fluid wird weiter verbessert, wenn ein Durchmesser des Mantels während der Fertigung des erfindungsgemäßen Fluidheizers durch Walzen radial vermindert wird, wodurch die Isolation verdichtet wird. Weiterhin wird die Isolation dadurch einerseits an das Heizelement und andererseits an den Mantel gepresst. Durch die radiale Verminderung wird die zwischen den einzelnen Körnern befindliche Luft, die einer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit entgegenwirkt, verdrängt. Dadurch wird auch einer Korrosion des Heizelementes - insbesondere Heizdrahtes - entgegengewirkt. Weiterhin wird durch diesen Schritt die Position des mit Strom durchflossenen Heizelementes - insbesondere Heizdrahtes - fixiert. So wird bei Vibrationen oder einem Crash eines Fahrzeugs, in dem der erfindungsgemäße Fluidheizer verbaut wird, ein Durchschlagen der Spannung vom Heizelement zum Mantel und zu der zu erwärmenden Flüssigkeit vermieden.
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Wenn der Rohrheizkörper danach auch gewendelt werden soll, wird er zwischen dem Walzen und dem Biegen geglüht, damit sein Mantel biegbar ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird zuvor ein Rohr aus einem weiteren Isolationsmaterial gesintert und in den Mantel eingeschoben.
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Mehrere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Fluidheizers sind in den Figuren dargestellt. Anhand der Figuren wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
- 1 in einem Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Fluidheizer,
- 2 in einem Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers für den Fluidheizer aus 1,
- 3 in einem Querschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers für den Fluidheizer aus 1 und
- 4 in einem Querschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Rohrheizkörpers für den Fluidheizer aus 1.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Fluidheizer, in dem die in den 2 bis 4 gezeigten verschiedenen Ausführungsbeispiele von Rohrheizkörpern 10; 110; 210 eingesetzt werden können. Der Fluidheizer hat ein längliches Fluidgehäuse 1 und ein ebenfalls längliches parallel zum Fluidgehäuse 1 angeordnetes Elektronikgehäuse 2. An dem Fluidgehäuse 1 sind ein Eingang 4 und ein durch die Schnittdarstellung nicht sichtbarer Ausgang für das zu erwärmende Fluid vorgesehen. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Fluid insbesondere eine Flüssigkeit, z.B. ein Wasser-Glycol-Gemisch so dass das Fluidgehäuse 1 wasserdicht ist.
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Entlang einer Mittelachse 8 erstrecken sich im Fluidgehäuse 1 drei gewendelte Rohrheizkörper 10; 110; 210. Genauer gesagt sind die Wendeln jedes Rohrheizkörpers 10; 110; 210 konzentrisch zur Mittelachse 8 angeordnet, während jeweilige Endabschnitte der Rohrheizkörper 10; 110; 210, von denen in 1 jeweils nur ein Endabschnitt 12 dargestellt ist, von der Mittelachse 8 weg weisen und dabei in das Elektronikgehäuse 2 hineinragen. Jeweilige Ausnehmungen, durch die die Endabschnitte 12 das Fluidgehäuse durchdringen, sind an den Außenumfängen der Endabschnitte 12 abgedichtet. Die Endabschnitte 12 haben jeweils einen elektrischen Kontakt 14. Über seine beiden Kontakte 14 wird jeder Rohrheizkörper 10; 110; 210 mit elektrischem Strom versorgt, so dass dieser über seinen z. B. aus Edelstahl gefertigten Mantelrohr 16 die Wärme an die Flüssigkeit abgibt, bevor diese über den Ausgang aus dem Fluidgehäuse 1 wieder herausströmt.
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2 zeigt in einem Querschnitt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rohrheizkörpers 10 zur Verwendung in dem Fluidheizer aus 1. Konzentrisch im Inneren des Mantelrohres 16 ist ein elektrischer Heizdraht 18 vorgesehen, der über die beiden Kontakte 14, von denen in 1 jeweils nur ein Kontakt 14 dargestellt ist, mit Strom versorgt wird, wodurch die Wärme erzeugt wird. Außen ist der Rohrheizkörper 10 durch das Mantelrohr 16 begrenzt. In einem Bereich zwischen dem Heizdraht 18 und dem metallischen Mantelrohr 16 ist ein pulverförmiges erstes Isolationsmaterial 20 eingefüllt, das aus Aluminiumnitrit (AlN) oder Bohrnitrit (BN) besteht. Dabei ist der Heizdraht 18, der auch gewendelt sein kann, direkt in das Isolationsmaterial 20 eingebettet. Die Wärme des Heizdrahts 18 strömt über das sehr gut Wärme leitende Isolationsmaterial 20 zum Mantelrohr 16 und wird von dort an die umgebende Flüssigkeit abgegeben.
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3 zeigt in einem Querschnitt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rohrheizkörpers 110 zur Verwendung in dem Fluidheizer aus 1. Der wesentliche Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist darin zu sehen, dass zwischen dem ersten Isolationsmaterial 20 aus Aluminiumnitrit oder Bohrnitrit und dem äußeren Mantelrohr 16 ein gesintertes Rohr 122 aus einem weiteren Isolationsmaterial 124, nämlich aus Magnesiumoxid (MgO), vorgesehen ist. Ein Außendurchmesser des gesinterten Rohres 122 entspricht einem Innendurchmesser des Mantelrohres 16, so dass während der Fertigung des Rohrheizkörpers 110 das gesinterte Rohr 122 in das noch nicht gewendelte Mantelrohr 16 eingeschoben wird, und dann das erste Isolationsmaterial 20 zwischen den Heizdraht 18 und das gesinterte Rohr 122 eingefüllt wird.
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4 zeigt in einem Querschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rohrheizkörpers 210 zur Verwendung in dem Fluidheizer aus 1. Dabei ist zwischen dem inneren Heizdraht 18 und dem äußeren Mantelrohr 16 eine Isolation vorgesehen, die ein pulverförmiges homogen Gemisch aus einerseits Aluminiumnitrit oder Bohrnitrit und andererseits Magnesiumoxid ist. Damit ist die Isolation aus einer Mischung des ersten Isolationsmaterials 20 und des weiteren Isolationsmaterials 124 gebildet. Durch die Wahl des Mischungsverhältnisses der beiden Isolationsmaterialien 20, 124 wird die Wärmeleitfähigkeit der gesamten Isolation bestimmt.
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Beim zweiten Ausführungsbeispiel des Rohrheizkörpers 110 aus 3 und beim dritten Ausführungsbeispiel des Rohrheizkörpers 210 aus 4 sind die Wärmeleitfähigkeit und die Kosten der Isolation gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel aus 2 reduziert.
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Alle drei gezeigten Ausführungsbeispiele des Rohrheizkörpers 10; 110; 210 aus den 2 bis 4 werden nach ihrer Zusammensetzung aus Heizdraht 18, Isolation und Mantelrohr 16 gewalzt, um so die Isolation zu verdichten und damit ihrer Wärmeleitfähigkeit weiter zu verbessern. Dabei wird die Isolation an den Innenumfang des Mantelrohres 16 und an den Heizdraht 18 gepresst, wobei ebenfalls die Wärmeleitfähigkeit verbessert wird. Insbesondere wird bei diesem Walzen auch der Durchmesser des Mantelrohres 16 und damit der Durchmesser des gesamten Rohrheizkörpers 10; 110; 210 verringert.
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Durch die radiale Verminderung wird die zwischen den einzelnen Körnern befindliche Luft, die einer ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit entgegenwirkt, verdrängt. Dadurch wird auch einer Korrosion des Heizdrahtes 18 entgegengewirkt. Weiterhin wird durch diesen Schritt die Position des mit Strom durchflossenen Heizdrahtes 18 konzentrisch im Mantelrohr 16 fixiert. So wird bei Vibrationen oder einem Crash eines Fahrzeugs, in dem der Fluidheizer verbaut wird, ein Durchschlagen der Spannung vom Heizdraht 18 zum Mantelrohr 16 und zu der zu erwärmenden Flüssigkeit vermieden.
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Während des Walzens kann das gesinterte Rohr 122 des zweiten Ausführungsbeispiels aus 3 zerstört werden und dabei in einzelne Fragmente oder Körner zerfallen. Die Funktionalität wird dadurch nicht beeinträchtigt.
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Abweichend vom Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Fluidheizers auch lediglich zwei Rohrheizkörper 10; 110; 210 aufweisen, da deren Wärmeabgabe durch das Aluminiumnitrid oder Bornitrid und durch dessen Verdichtung gegenüber dem Stand der Technik signifikant verbessert ist. Damit kann die Länge des in 1 gezeigten Fluidheizers um etwa 50 Prozent reduziert werden. Auch kann das Gewicht des in 1 gezeigten Fluidheizers signifikant gesenkt werden. Beides entspricht der Aufgabe bzw. dem Ziel der Erfindung.
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Alle gezeigten Merkmale oder Details können beliebig mit anderen gezeigten Merkmalen oder Details der Erfindung kombiniert werden.
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Offenbart ist ein Fluidheizer mit einem Rohrheizkörper, in dessen elektrische Isolation ein elektrischer Heizdraht direkt eingebettet ist. Die Isolation hat erfindungsgemäß eine hohe Wärmeleitfähigkeit und besteht dazu vorzugsweise ganz oder teilweise aus pulverförmigem Bornitrid oder Aluminiumnitrid und ist vorzugsweise radial verdichtet. Dies dient der Verbesserung der Wärmeleitung von dem Heizdraht zu einem Mantel des Rohrheizkörpers an dessen Außenseite das Fluid entlangströmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fluidgehäuse
- 2
- Elektronikgehäuse
- 4
- Eingang
- 8
- Mittelachse
- 10; 110; 210
- Rohrheizkörper
- 12
- Endabschnitt
- 14
- Kontakt
- 16
- Mantel / Mantelrohr
- 18
- Heizelement / Heizdraht
- 20
- erstes Isolationsmaterial
- 122
- gesintertes Rohr
- 124
- weiteres Isolationsmaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2005114352 A [0003]
- EP 2499436 B1 [0005]
- WO 2011/054970 A2 [0005]
