DE102017207738A1

DE102017207738A1 - Elektrische Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE102017207738A1
Application number: DE102017207738.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Kohl; Karl-Gerd Krumbach; Wolfgang Seewald; Igor Tschemeris; Christoph Fodor; Andreas SCHLIPF
Original assignee: Tuerk and Hillinger Automotive GmbH; Tuerk Hillinger Automotive GmbH; Mahle International GmbH
Current assignee: Tuerk and Hillinger Automotive GmbH; Tuerk Hillinger Automotive GmbH; Mahle International GmbH
Priority date: 2017-05-08
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2018-11-08
Also published as: US10780762B2; US20180319252A1; CN108882417A; CN108882417B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung (1) mit einem Gehäuse (2, 102) mit einem Fluideinlass (3) zum Einlassen eines zu erwärmenden Fluids in das Gehäuse (2, 102) und mit einem Fluidauslass (4) zum Auslassen des zu erwärmenden Fluids aus dem Gehäuse (2, 102), wobei zwischen Fluideinlass (3) und Fluidauslass (4) ein Strömungskanal (5) für das Fluid gebildet ist, wobei in den Strömungskanal (5) in dem Gehäuse (2, 102) zumindest ein Heizmittel (6, 105, 205) hineinragt, welches einen Mantel (7, 207) aufweist, welcher einen Innenraum des Heizmittels (6, 105, 205) fluiddicht umhüllt, wobei in dem Mantel (7, 207) zumindest ein Heizelement (8, 208) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mantel (7, 207) zumindest ein Sensorelement (9, 109, 209) zur Temperaturüberwachung des zumindest einen Heizelements (8, 208) angeordnet ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere zur Beheizung eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs.
Hintergrund der Erfindung
Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise einen beheizbaren Fahrzeuginnenraum auf. Dazu weisen Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor üblicherweise einen im Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors angeschlossenen Heizungswärmeübertrager auf, durch welchen heißes Kühlmittel strömt, das vom Verbrennungsmotor erwärmt wird. Das Kühlmittel wird dabei primär verwendet, um den Verbrennungsmotor zu kühlen. Die Abwärme des Verbrennungsmotors wird auf das Kühlmittel übertragen und wird im Heizungswärmeübertrager zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums eingesetzt. Dabei wird die durch den Heizungswärmeübertrager strömende Luft erwärmt und dem Fahrzeuginnenraum zugeführt.
Insbesondere Kraftfahrzeuge mit verbrauchsarmen Verbrennungsmotoren, die weniger Abwärme erzeugen, und Kraftfahrzeuge mit Plug-In/Range Extender benötigen für die Innenraumbeheizung Zuheizeinrichtungen. Kraftfahrzeuge mit Elektroantrieb benötigen Heizeinrichtungen, da eine Erwärmung mit vom Verbrennungsmotor erwärmtem Kühlmittel bei diesen Kraftfahrzeugen grundsätzlich nicht zur Verfügung steht, weil sie keinen Verbrennungsmotor aufweisen.
Dabei ist vor allem in der Startphase und/oder bei geringen Außentemperaturen ein Zuheizen bzw. ein Heizen erwünscht oder notwendig.
Hierfür sind verschiedene Heizeinrichtungen bzw. Zuheizeinrichtungen bekannt geworden, wie beispielsweise elektrische Zuheizeinrichtungen, Wärmepumpeneinrichtungen, Brennstoffheizer, sowie eine Zuheizung mittels Abgas-Wärmeübertragern.
Die Bezeichnungen Heizung und Zuheizung und die Bezeichnungen Heizer und Zuheizer werden im Nachfolgenden im Sinne der vorliegenden Erfindung synonym verwendet.
Die elektrische Zuheizung hat den Vorteil, dass die dafür notwendigen elektrischen Heizeinrichtungen im Vergleich zu anderen Lösungen relativ kostengünstig sind und dass die erzeugte Wärme relativ spontan spürbar ist, weil die elektrische Leistung quasi sofort in spürbare Wärme umgesetzt wird. Weiterhin sind elektrische Heizeinrichtungen platzsparend und damit in einem Kraftfahrzeug flexibel einbaubar.
Für hybridisierte Fahrzeuge oder rein elektrisch betriebene Fahrzeuge ist der Stellenwert der elektrischen Heizung bzw. Zuheizung noch größer, da eine Erwärmung über Abwärme des Verbrennungsmotors nicht möglich ist. Bei solchen Kraftfahrzeugen werden elektrische Leistungen von etwa mehr als 3 kW benötigt. Dies bedeutet auch, dass eine hohe Leistungsdichte vorteilhaft ist. Bei solchen Kraftfahrzeugen liegt die Bordnetzspannung meist über 60 V, teilweise sogar über 300 V. Aufgrund der hohen geforderten Heizleistungen am (Zu-)Heizer wird auch diese elektrische Heizeinrichtung mit der hohen Spannung betrieben um die im Betrieb auftretende Stromstärke möglichst gering zu halten.
Ein solcher Heizer bzw. Zuheizer als Heizeinrichtung für Hochvoltanwendungen, also für Spannungen über 60 V, muss so ausgebildet sein, dass eine Gefährdung durch die Heizeinrichtung im Betrieb oder bei einer Wartung ausgeschlossen werden kann.
Bei den elektrischen Heizeinrichtungen als Zuheizer oder als alleinige Heizer gibt es grundsätzlich die Möglichkeit, dass die elektrische Leistung direkt in ein flüssiges Medium, wie beispielsweise ein Kühlmittel, geleitet wird, welches über einen weiteren Wärmetauscher die Wärme in den Innenraum des Kraftfahrzeugs abgibt. Eine solche Heizeinrichtung wird auch als kühlmittelseitige Heizeinrichtung bezeichnet.
Auch gibt es die Möglichkeit, dass die elektrische Leistung an die Luft abgegeben wird und diese erwärmte Luft für die Beheizung des Innenraums herangezogen wird. Eine solche Heizeinrichtung wird auch als luftseitige Heizeinrichtung bezeichnet.
Die luftseitigen Heizeinrichtungen sind zeitlich spontaner, da die elektrische Energie zu nahezu hundert Prozent in Lufterwärmung umgesetzt wird. Der Wirkungsgrad liegt bei nahezu hundert Prozent. Er kann sinnvollerweise jedoch nur zur Erwärmung des Innenraumes der Fahrzeugkabine eingesetzt werden. Ebenso ist er sinnvollerweise im Fahrzeuginnenraum, also im Klimagerät, integriert. Die Integration einer Hochspannungskomponente im Innenraum ist sicherheitsbedingt jedoch aufwendig und bedeutet in der Regel eine aufwändigere Konstruktion des Klimageräts, was die Kosten erhöht.
Die kühlmittelseitige Heizeinrichtung ist in ihrer Heizwirkung nicht ganz so spontan und effizient, da die elektrische Energie erst genutzt wird, um das Fluid, beispielsweise in einem kleinen Wasserkreislauf, aufzuwärmen. An einem separaten Kühlmittel/Luft-Wärmeübertrager, wie bei einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, wird das erwärmte Fluid bzw. Wasser genutzt, um die in den Innenraum einströmende Luft zu erwärmen.
Es befindet sich dabei vorzugsweise keine Hochspannungskomponente im Innenraum des Kraftfahrzeugs. Auch ist es bei dieser Konstellation vorteilhaft, dass die kühlmittelseitige Heizeinrichtung an verschiedenen Stellen außerhalb des Innenraums im Kraftfahrzeug angebracht werden kann. Das Klimagerät kann wie bei einem klassischen Kraftfahrzeug genutzt werden, ohne dass große konstruktive Änderungen notwendig werden. Ein weiterer Vorteil der kühlmittelseitigen Heizeinrichtung ist die Möglichkeit, eine Batterie beispielsweise bei einem reinen Elektrofahrzeug durch das warme Wasser bzw. durch das Kühlmittel mit zu beheizen bzw. aufwärmen zu können.
Im Stand der Technik sind verschiedene kühlmittelseitige Heizeinrichtungen bekannt geworden. Die DE 10 2010 060 446 A1 offenbart eine Widerstandsheizeinrichtung mit einer wendelförmigen Heizwendel in einem kühlmitteldurchströmten Gehäuse. In dieser Heizwendel befindet sich ein wiederum wendelförmiger Heizdraht. Der Spannungsabfall bzw. der Stromfluss erfolgt entlang dieses wendelförmig gewickelten Heizdrahtes. Die Konstruktion ist allerdings sehr aufwändig und damit auch in der Herstellung teuer.
Es sind auch Heizeinrichtungen mit PTC-Heizelementen bekannt, die mittels Kontaktelektroden bestromt werden, siehe die EP 1 872 986 A1 . Die Heizelemente geben ihre Wärme nur indirekt an das Kühlmittel, da die Heizeinheit bestehend aus Heizelementen und Kontaktelektroden elektrisch isoliert ist. Die Wärme muss dabei zumindest durch die elektrische Isolation aus schlecht thermisch leitenden Materialien und durch das Gehäuse des kühlmittelführenden Kanals, um das Kühlmittel zu erwärmen. Bei dem Gehäuse handelt es sich um einen recht massiven Gusskörper, der U-förmige Ausnehmungen aufweist, die in die Fluidkammern hineinragen. Das Kühlmittel strömt dann um die U-förmigen Ausnehmungen mäanderförmig herum. In diesen Fluidkammern sitzen die Heizelemente, die auf beiden Seiten isoliert sind. Die Heizeinheit bestehend aus PTC-Heizelementen und Kontaktelektroden wird dann mit einem Klemmkeil aus Aluminium in die U-förmigen Ausnehmungen eingepresst. Durch diese Verpressung erfolgen die elektrische Kontaktierung zwischen PTC-Heizelementen und Kontaktelektroden und die thermische Kontaktierung zwischen Heizeinheit und U-förmiger Ausnehmung. Solche Heizeinrichtungen sind auch durch die EP 2 637 475 A1 und durch die EP 2 440 004 B1 bekannt geworden.
Die Heizeinrichtungen gemäß dem Stand der Technik weisen dabei auch Nachteile auf.
Die kühlmittelseitigen Widerstandsheizer weisen keine Eigensicherheit der Heizeinheit bezüglich einer Temperaturüberhöhung auf. Daher ist eine Temperaturüberwachung und eine entsprechende Abschaltung notwendig, beispielsweise bei einem plötzlichen Stillstand des Kühlmittelvolumenstroms.
Die kühlmittelseitigen PTC-Heizeinrichtungen weisen üblicherweise eine hohe Anzahl an Heizeinheiten auf, die aus 2 Kontaktelektroden und PTC-Heizelementen und Isolationen bestehen. Dadurch resultiert ein eher hoher Montageaufwand. Durch die Gussgehäuse resultieren schwere und große Ausführungen.
Im Gegensatz zu PTC-Heizeinrichtungen können sich Widerstandsheizeinrichtungen nicht oder nur sehr bedingt selbst regulieren. Eine sehr begrenzte Selbstregulierung kann durch die Verwendung eines Heizdrahtes erreicht werden, der eine PTC-Widerstandscharakteristik aufweist. Dennoch kann bei Ausbleiben ausreichender Kühlung nicht verhindert werden, dass Überhitzungen des Heizdrahtes oder des Wärmeübertragers auftreten.
Die DE 10 2010 0660 446 A1 offenbart eine Widerstandsheizeinrichtung, welche drei benachbart angeordnete Heizstufen als Heizdrahtwindungen aufweist, welche PTC-Widerstandscharakteristik aufweisen. Durch die Widerstandsänderung infolge Temperaturänderung lässt sich so evtl. eine Aussage über das Vorhandensein eines Kühlmittels und über eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit des zu erwärmenden Kühlmittels treffen. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass man durch die drei Stufen insgesamt sechs Durchtritte in der Anschlussplatte benötigt. Je mehr Durchtritte und Heizwendeln vorhanden sind, desto mehr elektrische Anschlussstellen sind notwendig, die verbunden werden müssen. Dies führt zu einer erhöhten Möglichkeit von potentiellen Fehlerquellen und zu einer erhöhten Anzahl von desto mehr Lötstellen, die eine potentielle Gefahr für Undichtigkeiten der Heizeinrichtung darstellen. Da jede Heizstufe aus mehreren Windungen besteht, besteht die Gefahr, dass es lokal zu Überhitzungen kommen kann, ohne dass diese Überhitzungen detektiert werden. Das könnte beispielsweise dann der Fall sein, wenn im stehenden Einbauzustand sich nur die erste Windung der ersten Heizstufe außerhalb des Kühlmittels befindet. Diese erste Windung kann sich entsprechend übermäßig erhitzen ohne dabei eine ausreichende Widerstandsänderung herbeizuführen, da der größte Teil der Heizstufe noch von Kühlmittel benetzt wird. Solche Situationen können beispielsweise durch einen schleichenden Kühlmittelverlust oder durch einen Kühlmittelpumpenausfall entstehen.
Weiterhin gibt es Anordnungen und Ausrichtungen der Heizeinrichtung, die in Verbindung mit geringen Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels zu Situationen führen können, bei welchen sich große stationäre oder pulsierende Dampfblasen bilden können. Solche Situationen können beispielsweise bei längeren steilen Bergfahrten entstehen.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Heizeinrichtung zu schaffen, die gegenüber dem Stand der Technik einfach und kostengünstig herzustellen ist und dennoch gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung mit einem Gehäuse mit einem Fluideinlass zum Einlassen eines zu erwärmenden Fluids in das Gehäuse und mit einem Fluidauslass zum Auslassen des zu erwärmenden Fluids aus dem Gehäuse, wobei zwischen Fluideinlass und Fluidauslass ein Strömungskanal für das Fluid gebildet ist, wobei in den Strömungskanal in dem Gehäuse zumindest ein Heizmittel hineinragt, welches einen Mantel aufweist, welcher einen Innenraum des Heizmittels fluiddicht umhüllt, wobei in dem Mantel zumindest ein Heizelement angeordnet ist, wobei in dem Mantel zumindest ein Sensorelement zur Temperaturüberwachung des zumindest einen Heizelements angeordnet ist. Damit wird eine sichere Verwendung der Heizeinrichtung möglich, weil das zumindest eine Sensorelement den jeweiligen Betriebszustand detektiert und bei Überhitzungen eine Abschaltung vorgenommen werden kann.
Das zu erwärmende Fluid ist bevorzugt ein Kühlfluid auf Wasserbasis gegebenenfalls mit Zusätzen, wie es beispielsweise auch bei Verbrennungsmotoren eingesetzt wird. Das zu erwärmende Fluid kann aber auch ein anderes Fluid sein, beispielsweise auf Ölbasis.
Die elektrische Versorgung der Heizeinrichtung erfolgt vorteilhaft mit einer Niedervoltspannung bis etwa 60 V, beispielsweise 12 V oder 24 V. Alternativ dazu kann die Versorgungsspannung eine Hochvoltspannung sein, beispielsweise im Bereich 200 V bis 400 V oder mehr.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in den Strömungskanal in dem Gehäuse eine Mehrzahl von Heizmitteln hineinragt. Dadurch können die Heizmittel parallel zueinander angeordnet sein oder sie können kaskadiert seriell angeordnet werden, damit das zu erwärmende Fluid nacheinander von den Heizmitteln erwärmt wird.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Mantel des Heizmittels rohrförmig ausgebildet ist und an seinen beiden Endbereichen aus dem Gehäuse ragt.
Dabei ist der Mantel des Heizmittels vorzugsweise aus Metall hergestellt, wie aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, so dass er stabil und robust ausgebildet ist. Auch erlaubt die Herstellung des Mantels aus Metall, dass der Mantel mit dem Gehäuse verlötbar ist, um eine dichte Verbindung zu erreichen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse im Wesentlichen quaderförmig mit einer Längserstreckung entlang einer Längsseite ausgebildet ist, wobei der Mantel des Heizmittels mit seinen Endbereichen an einem längsseitigen Ende des Gehäuses aus dem Gehäuse ragt. Dadurch kann erreicht werden, dass der Mantel etwa U-förmig in dem Gehäuse verläuft, mit etwaigen Windungen, mäanderförmigen Führungen etc. Die Anschlüsse der Heizelemente und/oder der Sensorelemente liegen jedoch auf einer Seite des Gehäuses.
Ebenso ist es auch vorteilhaft, wenn das Gehäuse im Wesentlichen quaderförmig mit einer Längserstreckung entlang einer Längsseite ausgebildet ist, wobei der Mantel des Heizmittels mit seinen Endbereichen jeweils an sich gegenüberliegenden längsseitigen Enden des Gehäuses aus dem Gehäuse ragt. Dadurch wird erreicht, dass sich der Mantel des Heizmittels bzw. das Heizmittel etwa entlang der im Wesentlichen gesamten Erstreckung der Heizeinrichtung bzw. des Gehäuses erstreckt. Damit wird eine gute Erwärmbarkeit des zu erwärmenden Fluids erreicht.
Auch ist es bei einem weiteren Ausführungsbeispiel vorteilhaft, wenn das Gehäuse mehrteilig mit einem wannenförmigen Element und einem Deckelelement ausgebildet ist, wobei die Endbereiche des Mantels durch Öffnungen des Deckelelements geführt sind, die im Bereich der Durchführung des Mantels abgedichtet sind. Dabei bildet ein solches mehrteiliges Design Vorteile bei der Herstellung und der Montage. Die Teile können einzeln besser hergestellt werden und die Verbindung des Heizmittels mit dem Gehäuse ist vereinfacht.
Ebenso ist es zweckmäßig, wenn auf das Deckelelement eine Steuereinheit aufgesetzt ist, welche mit dem aus den Endbereichen des Mantels herausragenden zumindest einen Heizelement und dem zumindest einen Sensorelement elektrisch verbunden ist. Dadurch wird eine integrierte Heizeinrichtung erreicht, die als kompakte Einheit in einem Kraftfahrzeug verbaubar ist.
So ist es bei einem weiteren Ausführungsbeispiel vorteilhaft, wenn die Steuereinheit von einem Abschlussdeckel umhaust ist, welcher mit dem Deckelelement abgedichtet verbunden ist. Damit wird die Elektronik der Steuereinheit sicher untergebracht und als Baueinheit mit dem Gehäuse verbunden.
Auch ist es alternativ vorteilhaft, wenn ein Heizelement oder mehrere Heizelemente in einem Mantel eines Heizmittels vorgesehen sind und dass ein Sensorelement oder mehrere Sensorelemente in dem Mantel des Heizmittels vorgesehen sind. Damit kann die Heizleistung erhöht und gleichzeitig die Heizleistung besser verteilt werden. Auch kann mit mehr Sensorelementen die Überwachung verbessert werden. So können beispielsweise unterschiedliche Abschnitte gesondert überwacht werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Heizelement ein Heizdraht ist, welcher eine Widerstandscharakteristik oder eine PTC-Widerstandscharakteristik aufweist. Damit kann das Heizelement relativ einfach als resistives Element ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist es auch, wenn das Heizelement ein Heizdraht ist, welcher von einem Heizelementmantel umhüllt ist. Dadurch wird das Heizelement besser geschützt.
Vorteilhaft ist auch, dass das Sensorelement ein Drahtelement ist, welches eine PTC-Widerstandscharakteristik aufweist. Dadurch kann eine günstige und einfache Überwachung erreicht werden, wenn bei steigender Temperatur des Heizmittels der Widerstand des Sensorelements stark ansteigt.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Sensorelement ein Drahtelement ist, welcher von einem Sensorelementmantel umhüllt ist. Auch dadurch kann das Sensorelement besser geschützt werden, beispielsweise gegenüber mechanischen Beanspruchungen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Sensorelement zwei Sensorelementenden aufweist, die beide entweder am gleichen Endbereich des Mantels eines Heizmittels aus dem Mantel des Heizmittels austreten oder die jeweils an unterschiedlichen Endbereichen des Mantels eines Heizmittels aus dem Mantel des Heizmittels austreten. Dadurch kann eine günstige Anordnung zur Überwachung des Heizmittels vorgesehen sein.
Vorteilhaft ist es, wenn ein Sensorelement, dessen Sensorelementenden am gleichen Endbereich des Mantels eines Heizmittels aus dem Mantel des Heizmittels austreten, einen U-förmigen Verlauf in dem Mantel des Heizelements aufweist. Damit kann die Reichweite des Sensorelements in den Mantel des Heizmittels hinein bestimmt werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Sensorelement mit einem U-förmigen Verlauf in Längserstreckung des Mantels des Heizmittels in den Mantel des Heizmittels nur teilweise oder vollständig hineinreicht.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn bei zumindest einem Heizmittel mehrere Sensorelemente vorgesehen sind, die jeweils unterschiedlich weit in den Mantel des Heizmittels hineinreichen und/oder die von unterschiedlichen Endbereichen des Mantels des Heizmittels in das Heizmittel hineinreichen. Damit können mehrere Sensorelemente vorgesehen sein, die von einer Seite in den Mantel hineinreichen oder die auch von unterschiedlichen Seiten in den Mantel hineinreichen. So können unterschiedliche Bereiche des Heizmittels unabhängig überwacht werden.
Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn ein Heizmittel wendelförmig oder mäanderförmig ausgebildet ist. Dabei kann die frei werdende Heizwärme besser an das zu erwärmende Fluid abgegeben werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Heizmittel in einer Ebene verläuft. Damit kann eine flache Bauweise erreicht werden. Auch können mehrere solcher flacher Heizmittel beabstandet voneinander angeordnet werden, also geschichtet.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn ein Heizmittel einen runden oder einen flachen Querschnitt aufweist und/oder dass der Mantel des Heizmittels als Flachrohr oder als Rundrohr ausgebildet ist. Dadurch kann je nach Anordnung der Heizelemente und/oder der Sensorelemente eine geeignete Geometrie gewählt werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Heizelemente und/oder die Sensorelemente an ihren jeweiligen Enden mit einverdichteten Drähten und/oder Bolzen mit einem größeren Querschnitt und/oder mit einem höheren elektrischen Leitwert als Anschlusselemente versehen sind. Damit kann der Anschluss der Heizelemente bzw. der Sensorelemente frei von thermischen Effekten gewählt werden. Damit wird eine Verfälschung der Überwachung vermieden.
So ist es auch vorteilhaft, wenn der Übergang von Heizelement oder vom Sensorelement zum Anschlusselement im Mantel des Heizmittels erfolgt. Damit wird der Übergang zum Anschlusselement besser geschützt.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Übergang im Mantel des Heizmittels auf der Höhe des Deckelelements des Gehäuses erfolgt. Damit wird der beheizte bzw. der überwachte Bereich auf den Innenraum des Gehäuses beschränkt.
Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn als Heiz- und/oder Sensorelemente Elemente, wie insbesondere Drähte, verwendet sind, die unterschiedliche Widerstände bei Raumtemperatur aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Querschnitt und/oder einen unterschiedlichen Wendeldurchmesser aufweisen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
Figurenliste
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Figuren der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung,
2 eine perspektivische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung,
3 eine perspektivische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung,
4 eine perspektivische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung,
5 eine schematische Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung,
6 eine perspektivische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung,
7 eine perspektivische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung,
8 eine perspektivische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung,
9 eine schematische Darstellung eines alternativen Heizmittels im Schnitt,
10 eine schematische Darstellung eines alternativen Heizmittels im Schnitt,
11 eine schematische Darstellung einer Ausbildung eines Heizmittels.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 bis 8 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizeinrichtung 1.
Die Heizeinrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das mit einem Fluideinlass 3 zum Einlassen eines zu erwärmenden Fluids in das Gehäuse 2 und mit einem Fluidauslass 4 zum Auslassen des zu erwärmenden Fluids aus dem Gehäuse2 ausgebildet ist.
Zwischen dem Fluideinlass 3 und dem Fluidauslass 4 ist ein Strömungskanal 5 ausgebildet, durch welchen das zu erwärmende Fluid strömt, um erwärmt zu werden.
In das Gehäuse 2 und in den Strömungskanal 5 in dem Gehäuse 2 ragt zumindest ein Heizmittel 6 hinein. Vorteilhaft kann ein Heizmittel 6 vorgesehen sein oder es können auch mehrere Heizmittel 6 vorgesehen sein.
Das jeweilige Heizmittel 6 weist einen Mantel 7 auf, der vorzugsweise aus Metall hergestellt ist. Alternativ kann der Mantel 7 aber auch aus Kunststoff o.Ä. ausgebildet sein. Der Mantel 7 des Heizmittels 6 umhüllt dabei einen Innenraum des Heizmittels 6 fluiddicht, wobei in dem Mantel 7 zumindest ein Heizelement 8 angeordnet ist. Weiterhin ist in dem Mantel 7 des Heizmittels 6 zumindest ein Sensorelement 9 zur Temperaturüberwachung des zumindest einen Heizelements 8 angeordnet.
In den 1 bis 8 ist nur ein insbesondere wendelförmiges Heizmittel 6 vorgesehen. Dabei kann alternativ auch eine Mehrzahl von Heizmitteln 6 vorgesehen sein, die in den Strömungskanal 5 hineinragen. Damit kann eine bessere Verteilung der Heizwärme und eine höhere Heizleistung erreicht werden.
Die 1 bis 8 lassen erkennen, dass der Mantel 7 des Heizmittels 6 rohrförmig ausgebildet ist und an seinen beiden Endbereichen 10, 11 aus dem Gehäuse 2 ragt. Dort wird das Heizmittel 6 an eine Steuereinheit 12 angeschlossen, um die Heizeinrichtung 1 steuern zu können.
Das Gehäuse 2 ist dabei beispielsweise im Wesentlichen quaderförmig mit einer Längserstreckung entlang einer Längsseite 13 ausgebildet, wobei der Mantel 7 des Heizmittels 6 mit seinen Endbereichen 10, 11 an einem längsseitigen Ende 14 des Gehäuses 2 aus dem Gehäuse 2 ragt. Eine solche Ausbildung wird zwar nicht gezeigt, sie kann jedoch vorgesehen werden.
Das Gehäuse 2 kann auch im Wesentlichen quaderförmig mit einer Längserstreckung entlang einer Längsseite 13 ausgebildet sein, wobei der Mantel 7 des Heizmittels 6 mit seinen Endbereichen 10, 11 jeweils an sich gegenüberliegenden längsseitigen Enden 14 des Gehäuses 2 aus dem Gehäuse 2 ragt. Dadurch erstreckt sich das Heizmittel in Längsrichtung 13 durch das Gehäuse 2.
Wie es in den Figuren zu erkennen ist, ist das Gehäuse 2 mehrteilig mit einem wannenförmigen Element 15 und mit einem Deckelelement 16 ausgebildet. Das wannenförmige Element 15 und das Deckelelement 16 sind an einem jeweiligen umlaufenden Flansch 17 abgedichtet miteinander verbunden.
Die Endbereiche 10, 11 des Mantels 7 sind durch Öffnungen 18 des Deckelelements 16 geführt, die im Bereich der Durchführung des Mantels 7 abgedichtet sind. Beispielsweise ist der Mantel 7 mit dem Deckelelement 16 verlötet.
Auf das Deckelelement 16 ist eine Steuereinheit 12 aufgesetzt, welche mit dem aus den Endbereichen 10, 11 des Mantels 7 herausragenden zumindest einen Heizelement 8 und dem zumindest einen Sensorelement 9 elektrisch verbunden ist. Dadurch können eine Steuerung der Heizleistung und eine Überwachung der Heizeinrichtung 1 erfolgen. Dabei ist die Steuereinheit 12 von einem Abschlussdeckel 20 umhaust, welcher mit dem Deckelelement 16 abgedichtet verbunden ist. Mittels des Abschlussdeckels 20 kann die Steuereinheit 12 geschützt werden.
Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 8 sind die Heizelemente 8 als Drähte ausgebildet. Auch die Sensorelemente 9 können als Draht ausgebildet sein.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Heizelement 8 oder mehrere Heizelemente 8 in einem Mantel 7 eines Heizmittels 6 vorgesehen sind und dass ein Sensorelement 9 oder mehrere Sensorelemente 9 in dem Mantel 7 des Heizmittels 6 vorgesehen sind. Die 1 bis 8 zeigen, dass drei Heizelemente 8 und zwei Sensorelemente 9 vorgesehen sind. Alternativ kann auch eine andere Anzahl an Heizelementen 8 und an Sensorelementen 9 vorgesehen sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 8 ein Heizdraht, welcher eine Widerstandscharakteristik oder eine PTC-Widerstandscharakteristik aufweist.
Zur besseren Stabilität kann dabei auch das Heizelement 8 ein Heizdraht sein, welches von einem Heizelementmantel umhüllt ist.
Auch das Sensorelement 9 kann ein Drahtelement sein, welches eine PTC-Widerstandscharakteristik aufweist. Damit kann bei einer auch überhöhten Erwärmung des Heizelements 8 ein Widerstand des Sensorelements 9 bestimmt werden, so dass das Heizelement 8 bzw. das Heizmittel überwacht werden kann.
Auch kann dabei das Sensorelement 9 ein Drahtelement sein, welches von einem Sensorelementmantel umhüllt ist.
Zur Anordnung des Sensorelements 9 im Mantel 7 weist das Sensorelement 9 zwei Sensorelementenden 21 auf, die beide entweder am gleichen Endbereich 10, 11 des Mantels 7 eines Heizmittels 6 aus dem Mantel 7 des Heizmittels 6 austreten oder die jeweils an unterschiedlichen Endbereichen 10, 11 des Mantels 7 eines Heizmittels 6 aus dem Mantel 7 des Heizmittels 6 austreten. Im ersten Fall durchläuft das Sensorelement 9 den Mantel 7 vollständig, im anderen Fall durchtritt das Sensorelement 9 nur teilweise mit einer Umlenkung.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es zweckmäßig, wenn ein Sensorelement 9, dessen Sensorelementenden 21 am gleichen Endbereich 10, 11 des Mantels 7 eines Heizmittels 6 aus dem Mantel 7 des Heizmittels 6 austreten, einen U-förmigen Verlauf 22 in dem Mantel 7 des Heizelements 8 aufweist, siehe 5. Dabei kann ein Sensorelement 9 mit einem U-förmigen Verlauf 22 in Längserstreckung des Mantels 7 des Heizmittels 6 in den Mantel 7 des Heizmittels 6 nur teilweise oder vollständig hineinreichen.
Gemäß 5 kann die Anordnung der Sensorelemente 9 auch so gestaltet sein, dass bei zumindest einem Heizmittel 6 mehrere Sensorelemente 9 vorgesehen sind, die jeweils unterschiedlich weit in den Mantel 7 des Heizmittels 6 hineinreichen und/oder die von unterschiedlichen Endbereichen 10, 11 des Mantels 7 des Heizmittels 6 in das Heizmittel 6 hineinreichen. Dies ist in 5 zu erkennen.
Das Heizmittel 6 ist in den 1 bis 8 wendelförmig ausgebildet und angeordnet. Dabei ist im offenen Kern der Wendel des Heizmittels 6 ein Fluidleitelement 23 angeordnet. Dadurch kann das einströmende Fluid in zwei Durchgängen durch das Gehäuse 2 strömen, also vom Fluideinlass 3 längs des Innenraums des Gehäuses 2, wo es an gegenüberliegenden Enden 14 umgelenkt wird um wieder zum Fluidauslass 4 zurück zu strömen, siehe die Pfeile 24 der 6, 7 und 8.
Alternativ zu der wendelförmigen Ausbildung und Anordnung des Heizmittels 6 bzw. der Heizmittel 6 kann das Heizmittel 6 auch mäanderförmig oder anderweitig ausgebildet sein, siehe diesbezüglich die 11. Dort ist eine mäanderförmige Ausgestaltung des Heizmittels 105 gezeigt. Das Heizmittel 105 mit zwei Sensorelementen 109 ist in mehreren Bögen um Wände 130 geführt, die quer zur Längsrichtung des Gehäuses 102 angeordnet sind. Der Fluidstrom des zu erwärmenden Fluids ist durch die Pfeile 124 angedeutet.
Das Heizmittel 105 kann in einer Ebene verlaufend ausgebildet sein oder eine dreidimensionale Ausbildung aufweisen.
Die 1 bis 8 zeigen, dass das Heizmittel 6 eher flach ausgebildet ist und dass der Mantel 7 des Heizmittels 6 als Flachrohr ausgebildet ist.
Die 9 und 10 zeigen jeweils eine Ausgestaltung, bei welcher die Heizmittel 205 als im Querschnitt runde Heizmittel 205 ausgebildet sind. Dabei ist der jeweilige Mantel 207 als Rundrohr ausgebildet, im welchem die Heizelemente 208 und die Sensorelemente 209 angeordnet sind.
Gemäß eines weiteren Gedankens ist es auch vorteilhaft, wenn die Heizelemente 8 und/oder die Sensorelemente 9 an ihren jeweiligen Enden 14 mit einverdichteten Drähten und/oder Bolzen mit einem größeren Querschnitt und/oder mit einem höheren elektrischen Leitwert als Anschlusselemente versehen sind. Dabei kann der Übergang von Heizelement 8 oder vom Sensorelement 9 zum Anschlusselement im Mantel 7 des Heizmittels 6 erfolgen. So ist es auch vorteilhaft, wenn der Übergang im Mantel 7 des Heizmittels 6 auf der Höhe des Deckelelements des Gehäuses 2 erfolgt.
Grundsätzlich ist es so, dass als Heiz- und/oder Sensorelemente Elemente, wie insbesondere Drähte, verwendet werden können, die unterschiedliche Widerstände bei Raumtemperatur aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Querschnitt und/oder einen unterschiedlichen Wendeldurchmesser aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010060446 A1 [0015]
EP 1872986 A1 [0016]
EP 2637475 A1 [0016]
EP 2440004 B1 [0016]
DE 1020100660446 A1 [0021]

Claims

Elektrische Heizeinrichtung (1) mit einem Gehäuse (2, 102) mit einem Fluideinlass (3) zum Einlassen eines zu erwärmenden Fluids in das Gehäuse (2, 102) und mit einem Fluidauslass (4) zum Auslassen des zu erwärmenden Fluids aus dem Gehäuse (2, 102), wobei zwischen Fluideinlass (3) und Fluidauslass (4) ein Strömungskanal (5) für das Fluid gebildet ist, wobei in den Strömungskanal (5) in dem Gehäuse (2, 102) zumindest ein Heizmittel (6, 105, 205) hineinragt, welches einen Mantel (7, 207) aufweist, welcher einen Innenraum des Heizmittels (6, 105, 205) fluiddicht umhüllt, wobei in dem Mantel (7, 207) zumindest ein Heizelement (8, 208) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mantel (7, 207) zumindest ein Sensorelement (9, 109, 209) zur Temperaturüberwachung des zumindest einen Heizelements (8, 208) angeordnet ist.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strömungskanal (5) in dem Gehäuse (2, 102) eine Mehrzahl von Heizmitteln (6, 105, 205) hineinragt.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) rohrförmig ausgebildet ist und an seinen beiden Endbereichen (10, 11) aus dem Gehäuse (2, 102) ragt.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2, 102) im Wesentlichen quaderförmig mit einer Längserstreckung entlang einer Längsseite (13) ausgebildet ist, wobei der Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) mit seinen Endbereichen (10, 11) an einem längsseitigen Ende (14) des Gehäuses (2, 102) aus dem Gehäuse (2, 102) ragt.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2, 102) im Wesentlichen quaderförmig mit einer Längserstreckung entlang einer Längsseite (13) ausgebildet ist, wobei der Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) mit seinen Endbereichen (10, 11) jeweils an sich gegenüberliegenden längsseitigen Ende (14) des Gehäuses (2, 102) aus dem Gehäuse (2, 102) ragt.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2, 102) mehrteilig mit einem wannenförmigen Element (15) und einem Deckelelement (16) ausgebildet ist, wobei die Endbereiche (10, 11) des Mantels (7, 207) durch Öffnungen (18) des Deckelelements (16) geführt sind, die im Bereich der Durchführung des Mantels (7, 207) abgedichtet sind.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Deckelelement (16) eine Steuereinheit (12) aufgesetzt ist, welche mit dem aus den Endbereichen (10, 11) des Mantels (7, 207) herausragenden zumindest einen Heizelement (8, 208) und dem zumindest einen Sensorelement (9, 109, 209) elektrisch verbunden ist.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) von einem Abschlussdeckel (20) umhaust ist, welcher mit dem Deckelelement (16) abgedichtet verbunden ist.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizelement (8, 208) oder mehrere Heizelemente (8, 208) in einem Mantel (7, 207) eines Heizmittels (6, 105, 205) vorgesehen sind und dass ein Sensorelement (9, 109, 209) oder mehrere Sensorelemente (9, 109, 209) in dem Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) vorgesehen sind.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8, 208) ein Heizdraht ist, welcher eine Widerstandscharakteristik oder eine PTC-Widerstandscharakteristik aufweist.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (8, 208) ein Heizdraht ist, welcher von einem Heizelementmantel umhüllt ist.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (9, 109, 209) ein Drahtelement ist, welches eine PTC-Widerstandscharakteristik aufweist.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (9, 109, 209) ein Drahtelement ist, welcher von einem Sensorelementmantel umhüllt ist.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (9, 109, 209) zwei Sensorelementenden (21) aufweist, die beide entweder am gleichen Endbereich (10, 11) des Mantels (7, 207) eines Heizmittels (6, 105, 205) aus dem Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) austreten oder die jeweils an unterschiedlichen Endbereichen (10, 11) des Mantels (7, 207) eines Heizmittels (6, 105, 205) aus dem Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) austreten.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (9, 109, 209), dessen Sensorelementenden (21) am gleichen Endbereich (10, 11) des Mantels (7, 207) eines Heizmittels (6, 105, 205) aus dem Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) austreten, einen U-förmigen Verlauf (22) in dem Mantel (7, 207) des Heizelements (8, 208) aufweist.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (9, 109, 209) mit einem U-förmigen Verlauf (22) in Längserstreckung des Mantels (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) in den Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) nur teilweise oder vollständig hineinreicht.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einem Heizmittel (6, 105, 205) mehrere Sensorelemente (9, 109, 209) vorgesehen sind, die jeweils unterschiedlich weit in den Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) hineinreichen und/oder die von unterschiedlichen Endbereichen (10, 11) des Mantels (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) in das Heizmittel (6, 105, 205) hineinreichen.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizmittel (6, 105, 205) wendelförmig oder mäanderförmig ausgebildet ist.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizmittel (6, 105, 205) in einer Ebene verläuft.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizmittel (6, 105, 205) einen runden oder einen flachen Querschnitt aufweist und/oder dass der Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) als Flachrohr oder als Rundrohr ausgebildet ist.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (8, 208) und/oder die Sensorelemente (9, 109, 209) an ihren jeweiligen Enden (14) mit einverdichteten Drähten und/oder Bolzen mit einem größeren Querschnitt und/oder mit einem höheren elektrischen Leitwert als Anschlusselemente versehen sind.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruche 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von Heizelement (8, 208) oder vom Sensorelement (9, 109, 209) zum Anschlusselement im Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) erfolgt.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruche 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang im Mantel (7, 207) des Heizmittels (6, 105, 205) auf der Höhe des Deckelelements (16) des Gehäuses (2, 102) erfolgt.
Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruche 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Heiz- und/oder Sensorelemente (9, 109, 209) Elemente (15), wie insbesondere Drähte, verwendet sind, die unterschiedliche Widerstände bei Raumtemperatur aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Querschnitt und/oder einen unterschiedlichen Wendeldurchmesser aufweisen.