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Die Erfindung geht aus von einer Heizeinrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, wie sie beispielsweise aus
DE 10 2011 084 962 A1 bekannt ist.
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Derartige Heizeinrichtungen haben einen Körper aus Metall, der mindestens eine Kammer aufweist, in der jeweils wenigstens ein PTC-Heizwiderstand und ein Kontaktblech angeordnet sind. Derartige Kammern haben eine Bodenwand, eine Deckenwand sowie quer zu dem Kontaktblech verlaufende Seitenwände. Um die Wärmeankopplung des Metallkörpers an die PTC-Heizwiderstände zu verbessern, werden die Kammern nach dem Einbringen der PTC-Heizwiderstände und der Kontaktbleche verpresst und dabei die Seitenwände der Kammern verformt oder auch gestaucht. Die Seitenwände sind deshalb relativ dünn ausgeführt. Bei der aus
DE 10 2011 084 962 A1 bekannten Heizeinrichtung haben die Seitenwände etwa dieselbe Stärke wie die Deckenwand und nur einen Bruchteil der Stärke der Bodenwand der Kammern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die thermische Ankopplung einer Heizeinrichtung an ein zu erwärmendes Fluid verbessert werden kann.
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Diese Aufgabe wir durch eine Heizeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Die Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren zum Herstellen einer Heizeinrichtung gemäß Anspruch 13 gelöst.
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Bei einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung haben die Seitenwände der Kammern eine Stärke, die größer als die Stärke der Bodenwand und größer als die Stärke der Deckenwand ist. Bevorzugt haben die Seitenwände jeweils eine Stärke, die größer als die Summe der Stärke der Bodenwand und der Stärke der Deckenwand ist, äußerst bevorzugt eine Stärke, die größer als die Dicke des Metallkörpers im Bereich der der Kammern ist, also der Summe aus Deckenwand, Kammer und Bodenwand. Obwohl sich derart dicke Seitenwände nicht mehr mit Drücken, die ein PTC ohne Schaden übersteht, verformen oder stauchen lassen, können die Kammern verpresst und die Wärmeankopplung der Heizeinrichtung insgesamt verbessert werden. Statt die Seitenwände insgesamt zu verformen oder zu stauchen, hat sich überraschend gezeigt, dass es genügt, wenn lediglich der Deckenbereich und der unmittelbar daran angrenzenden Bereich verformt und gestaucht wird und so die Deckenwand der Kammer soweit zu der Bodenwand der Kammer hin bewegt wird, dass die PTC-Heizwiderstände gut an den Metallkörper angekoppelt sind. Beim Verpressen wird also jeweils nur auf einen an die Kammer angrenzenden Teil der Seitenwände eingewirkt. Trotzdem ist eine innere Spannung im Metallkörper in diesem Bereich erzeugt, die dauerhaft einen Anpressdruck an die PTC-Widerstände gewährleistet und so eine gute Wärmeableitung ermöglicht.
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Die im Vergleich zu herkömmlichen Heizeinrichtungen wesentlich dickeren Seitenwände haben den Vorteil, von den PTC-Heizwiderständen erzeugte Wärme effizient in den Metallkörper abzuführen. Die Wärme kann so in größerem Maß zunächst in dem Metallkörper verteilt und dann über eine größere Oberfläche an ein zu erwärmendes Fluid abgegeben werden. Vorteilhaft können so starke Temperaturgradienten in dem Metallkörper besser vermieden und die Effizient der Heizeinrichtung verbessert werden.
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Um das Verpressen zu erleichtern, kann der Metallkörper an seiner Vorderseite seitlich neben den Kammern Nuten aufweisen. Bei der mit dem Verpressen verbundenen plastischen Verformung können die Nuten auf beiden Seiten den Verformungsbereich des Metallkörpers begrenzen. Zum Verpressen kann ein Stempel verwendet werden, der sich von einer Nut bis zu der anderen einer Kammer zugeordneten Nut erstreckt. Die Begrenzung des Verformungsbereichs bewirkt dabei vorteilhaft, dass die Ausrichtung der Kühlrippen durch die mit dem Verpressen verbundene plastische Verformung nicht verändert wird und nur ein geringerer Druck erforderlich ist.
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Beim Verpressen können die der Kammer zugewandten Seitenwände der Nuten vollständig verschwinden, so dass die Nuten bei der fertigen Heizeinrichtung nicht mehr vorhanden sind. Statt einer Nut ist an der Vorderseite des Metallkörpers dann nur noch eine Stufe zu sehen, da beim Verpressen auf die von der Deckenwand abgewandte Seite der Nut nicht eingewirkt wird. In der Regel sind die Nuten aber auch bei der fertigen Heizeinrichtung noch vorhanden, wenn auch mit einer deutlich reduzierten Tiefe, bzw. eine deutlich niedrigeren Nutenwand auf der Seite der Kammer als auf der von der Kammer abgewandten Seite. Um die Wärmeableitung nicht zu behindern, reicht der Einschnitt der Nuten nach dem Verpressen bevorzugt nicht so tief, dass er die Ebene der Deckenfläche der Kammer erreicht.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Metallkörper mehrere Kammern aufweist, in denen mindestens ein PTC-Heizwiderstand und ein Kontaktblech angeordnet sind. Bevorzugt sind die Kammern in einer gemeinsamen geometrischen Ebene angeordnet. Auf diese Weise lässt sich das Verpressen und Kontaktieren vereinfachen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Metallkörper auf gegenüberliegenden Seiten Kühlrippen aufweist, also sowohl auf seiner Vorderseite als auch auf seiner Rückseite. Auf diese Weise kann die Wärmeabfuhr weiter verbessert werden. Bevorzugt hat der Metallkörper im Bereich der Kammern nur auf einer Seite Kühlrippen. So kann eine sehr gute Wärmeabfuhr mit dem Verpressen kombiniert werden. Beispielsweise kann der Metallkörper durch einen passend zu einer Kühlrippe geformten Unterstempel im Bereich der Kammern unterstützt werden, während mit einem Oberstempel im Bereich einer Kammer auf den Metallkörper eingewirkt wird. Beispielsweise kann dazu der Metallkörper an seiner Vorderseite jeweils zwischen zwei seitlich neben einer Kammerdecke angeordneten Nuten eine Anpressfläche für einen Stempel bilden, die frei von Kühlrippen ist. Bevorzugt ist der Abstand einer Nut zu der ihr benachbarten Kammer kleiner als der Abstand der Nut zu der nächstgelegenen Kühlrippe. Auf diese Weise lässt sich vermeiden, dass die Kühlrippen beim Verpressen wegen des verdrängten Materials des Metallkörpers kippen.
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Der Metallkörper ist bevorzugt ein Strangpressprofil, kann aber beispielsweise auch ein Gussteil sein. Als Material besonders gut geeignet sind Aluminiumlegierungen, insbesondere federharte Aluminiumlegierungen wie etwa AlMgSi-Legierungen.
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Wenn die Heizeinrichtung zum Erwärmen einer Flüssigkeit vorgesehen ist, beispielsweise als Tankheizung, ist der Metallkörper bevorzugt von einem Kunststoffmantel umgeben und so ebenso wie die in ihm angeordneten PTC-Heizwiderstände vor Kontakt mit der Flüssigkeit geschützt. Der Kunststoffmantel kann durch Umspritzen des Metallkörpers ausgebildet werden. Bevorzugt ist der Kunststoffmantel aber ein mehrteiliges Kunststoffgehäuse, beispielsweise mit einem Gehäuseunterteil, in das der Metallkörper eingesetzt wird, und einem Deckel, der zum Verschließen auf das Gehäuseunterteil aufgesetzt wird und mit ihm verschweißt oder verklebt werden kann.
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Bei der Heizeinrichtung kann der Metallkörper zum elektrischen Kontaktieren der PTC-Heizwiderstände verwendet werden, so dass in jeder Kammer nur ein einziges Kontaktblech benötigt wird. Es können aber in jeder Kammer auch zwei Kontaktbleche vorgesehen sein, zwischen denen einer oder mehrere PTC-Heizwiderstände angeordnet sind.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Heizeinrichtung ist auch die Ausgestaltung der Kontaktbleche vereinfacht. Während die Kontaktbleche beim Stand der Technik, etwa der
DE 10 2011 084 962 A1 , aufwändig mehrfach abgewinkelt und gebogen werden müssen, um in den Kunststoffmantel integriert werden zu können, kann nun zumindest ein Kontaktblech in einer Ebene geführt werden, insbesondere kann ein Kontaktblech mehrere Abschnitte aufweisen, die in den Kammern angeordnet und durch Verbindungsabschnitte verbunden sind, die in derselben Ebene wie die in den Kammern angeordneten Abschnitte liegen, also nicht abgebogen sind. Gegebenenfalls kann ein Anschlussabschnitt des Kontaktblechs abgebogen sein.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung;
- 2 die Heizeinrichtung ohne Deckel;
- 3 der Metallkörper der Heizeinrichtung mit Kontaktblechen;
- 4 der Metallkörper der dargestellten Heizeinrichtung vor dem Verpressen; und
- 5 der Metallkörper der dargestellten Heizeinrichtung nach dem Verpressen.
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Die in 1 dargestellte Heizeinrichtung 1 ist eine Tankheizung, dient also zum Erwärmen von Flüssigkeiten. Diese Heizeinrichtung hat einen Kunststoffmantel 2, der als ein mehrteiliges Gehäuse mit einem Gehäuseunterteil 2a und einem Deckel 2b ausgebildet ist. In 2 ist die Heizeinrichtung 1 ohne den Deckel 2b dargestellt.
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Die Heizeinrichtung 1 weist einen Körper 3 aus Metall auf, der mehrere parallel zueinander verlaufende Kammern aufweist, in denen jeweils ein oder mehrere keramische PTC-Heizwiderstände angeordnet sind, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat. Die PTC-Heizwiderstände werden in den Kammern von Kontaktblechen elektrisch kontaktiert. Die Kontaktbleche und die PTC-Heizwiderstände sind von einem Kunststoffrahmen 4 gehalten. In 3 ist der Metallkörper 3 ohne den Kunststoffrahmen dargestellt, so dass die Kontaktbleche 5, die in die Kammern hineinragen, deutlich zu sehen sind.
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Der Metallkörper 3 kann zum elektrischen Kontaktieren der PTC-Heizwiderstände verwendet werden, so dass ein Kontaktblech 5 pro Kammer, das elektrisch von dem Metallkörper 3 durch eine Isolierschicht getrennt ist, ausreicht, oder es können zwei vom Metallkörper 3 isolierte Kontaktbleche 5 in einer Kammer angeordnet werden, zwischen denen der PTC-Heizwiderstand oder die PTC-Heizwiderstände angeordnet sind. In der beispielhaften Ausgestaltung wird der Metallkörper 3 zum elektrischen Kontaktieren verwendet, trotzdem weist die mittlere Kammer ein zweites Kontaktblech 5 auf, das aber lediglich als Anschlussteil dient und in elektrischem Kontakt zum Metallkörper steht. Die Kammern 6 mit dem zweiten Kontaktteil 5 hat dadurch eine etwas größere Höhe, das heißt die Höhe der Kammern ist in diesem Beispiel verschieden.
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Die Kammern 6 des Metallkörpers 3 sind in einer geometrischen Ebene angeordnet und werden nach dem Einbringen der PTC-Heizwiderstände sowie der Kontaktbleche verpresst, der Metallkörper 3 also im Bereich der Kammern 6 plastisch verformt. 4 zeigt den Metallkörper 3 vor dem Verpressen, 5 nach dem Verpressen. Die Kammern 6 haben eine Bodenwand 6a, eine Deckenwand 6b und Seitenwände 6c, die quer zu dem bzw. den Kontaktblechen 5 verlaufen. Die Stärke der Seitenwände 6c ist größer als die Stärke der Bodenwand 6a und größer als die Stärke der Deckenwand 6b, bevorzugt größer als die Summer der Stärke der Deckenwand 6b und der Bodenwand 6a. Die Seitenwände 6c können deshalb beim Verpressen nicht wesentlich gestaucht werden, um eine gute Wärmeankopplung der PTC-Heizwiderstände an den Metallkörper 3 zu erreichen. Stattdessen wird beim Verpressen der Metallkörper 3 im Bereich der Kammerdecke 6b und einem an die Kammerdecke 6b angrenzenden Teil der Seitenwand 6c plastisch verformt..
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Um den Bereich der plastischen Verformung weitgehend zu begrenzen, weist der Metallkörper 3 jeweils auf beiden Seiten an die Kammerdecke 6b angrenzende Nuten 8 auf. Diese sind in 4, die den Metallkörper 3 vor dem Verpressen zeigt deutlich zu sehen. Nach dem Verpressen sind die Nuten 8 zumindest im Bereich der der Kammern zugewandten Nutenwände zu einem großen Teil verformt und weniger stark ausgeprägt, wie in 5 zu sehen ist, die den Metallkörper 3 nach dem Verpressen zeigt. Um die seitliche Wärmeableitung nicht zu behindern, reicht der Einschnitt der Nuten nach dem Verpressen bevorzugt nicht bis zu der Ebene der Deckenfläche der Kammer.
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Ein Vergleich von 4 und 5 zeigt auch, dass die Kammerdecke 6b vor dem Verpressen nach innen gewölbt ist, also konkav geformt ist. Nach dem Verpressen ist die Kammerdecke 6b dann plan, so dass ein guter, großflächiger Wärmekontakt gegeben ist. Die Stärke der Kammerdecke 6b beträgt bevorzugt weniger als die Kammerhöhe, also der Abstand vom Boden bis zur Decke der Kammer, nach dem Verpressen. Auf diese Weise lässt sich das Verpressen erleichtern. Der Kammerboden 6a hat bevorzugt eine wesentlich größere Stärke als die Kammerdecke 6b, beispielsweise eine doppelt so große Stärke oder mehr.
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Die große Stärke der Seitenwände 6c der Kammern 6 ermöglichst eine gute Abfuhr der in den Kammern 6 von den PTC-Heizwiderständen erzeugten Wärme in seitlicher Richtung. Die so abgeführte Wärme kann dann über Kühlrippen 9 des Metallkörpers 3 abgegeben werden. Der Metallkörper 3 hat dabei sowohl auf seiner teilweise von der Deckenwand gebildeten Vorderseite als auch auf seiner Rückseite mehrere Kühlrippen 9. Die Kammerdecken 6b und der Bereich zwischen den an sie angrenzenden Nuten 8 trägt aber keine Kühlrippen, um das Verpressen nicht zu erschweren. Der Boden der Kammern 6 kann Kühlrippen 9 tragen, beispielsweise eine mittig zu der betreffenden Kammer 6 angeordnete Kühlrippe, wie in den 4 und 5 dargestellt.
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Der Metallkörper 3 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Strangpressprofil, kann aber auch ein Gussteil sein. Als Material sind federharte Aluminiumlegierungen bevorzugt, beispielsweise AlMgSi-Legierungen.
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Zwischen dem Metallkörper 3 und dem Kunststoffmantel 2 können längliche Hohlräume 10 vorgesehen sein, um durch Wärmeausdehnung bewirkte mechanischen Spannungen auszugleichen. Derartige Hohlräume 10 sind insbesondere an den freien Enden der Kühlrippen 9 vorteilhaft. Der Kunststoffmantel 2, beispielsweise der Deckel 2b, können ein Steckverbindergehäuse 11 bilden oder damit verbunden sein. Kontaktstifte dieses Steckverbinders können durch Anschlussabschnitte 5a von Kontaktblechen 5 gebildet werden.
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Das Kunststoffgehäuse, in diesem Beispiel der Deckel 2b, kann zudem bevorzugt innerhalb des Steckverbindergehäuses 11 eine Öffnung aufweisen um die Druckbelastung des Kunststoffmantels 2 zu reduzieren. Bei hoher Temperatur des Metallkörpers 3 wird in den Kammern 6 vorhandene Luft sowie zwischen dem Metallkörper 3 und dem Kunststoffmantel 2 vorhandene Luft, insbesondere in den Hohlräumen 10, stark aufgeheizt. Indem diese erwärmte Luft in einen von dem Metallkörper thermisch entkoppelten Hohlraum, wie ihn das Steckergehäuse mit dem Gegenstecker darstellt, hinein ausdehnen kann, kann der Druckanstieg in dem Kunststoffmantel 2 reduziert werden.
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Das Kunststoffgehäuse, in diesem Beispiel der Deckel 2b, weist weiterhin einen Ring 12 auf, über den die Heizeinrichtung an einem Behälter befestigt werden kann, insbesondere mit dem Behälter verschweißt werden kann. Bevorzugt liegt das Steckergehäuse innerhalb des Rings und der Tank hat im Bereich des Rings einen Durchbruch, durch den die Anschlüsse dicht aus dem Tank herausgeführt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizeinrichtung
- 2
- Kunststoffmantel
- 2a
- Gehäuseunterteil
- 2b
- Deckel
- 3
- Metallkörper
- 4
- Kunststoffrahmen
- 5
- Kontaktblech
- 5a
- Anschlussabschnitt
- 6
- Kammer
- 6a
- Kammerboden
- 6b
- Kammerdecke
- 6c
- Kammerseitenwand
- 8
- Nut
- 9
- Kühlrippe
- 10
- Hohlraum
- 11
- Steckverbindergehäuse
- 12
- Ring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011084962 A1 [0001, 0002, 0014]
