DE102017218899A1 - Electric heating device for a motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung zur Erwärmung eines Mediums, vorzugsweise entweder Wasser oder Luft. Zur Erwärmung des Mediums ist ein oder eine Mehrzahl von Heizstufen vorgesehen, die separat ansteuerbar sind. Jede der Heizstufen ist mit wenigstens einem PTC-Heizelement ausgestattet. In Reihe mit dem PTC-Heizelement ist in jeder Heizstufe wenigsten ein weiteres Heizelement geschaltet. Das weitere Heizelement ist als Induktivität ausgebildet und weist dazu einen in Form einer Spule gewickelten Heizleiter auf. Auf diese Weise kann der Einschaltstrom der PTC-Heizelemente erniedrigt und dabei entstehende Abwärme an das zu erwärmende Medium abgegeben werden. Dadurch dass die Spule der Induktivität aus einem Heizleiter gebildet ist, trägt sie außerdem gleichzeitig zur Beheizung des Mediums bei. So läßt sich eine effiziente Heizung mit geringem Bauraum realisieren.

Figure DE102017218899A1_0000
The present invention relates to an electric heating device for heating a medium, preferably either water or air. For heating the medium, one or a plurality of heating stages is provided which can be controlled separately. Each of the heating stages is equipped with at least one PTC heating element. In series with the PTC heating element, at least one additional heating element is connected in each heating stage. The further heating element is designed as an inductor and has to a wound in the form of a coil heating conductor. In this way, the inrush current of the PTC heating elements can be lowered and any resulting waste heat emitted to the medium to be heated. The fact that the coil of the inductance is formed of a heating element, it also contributes simultaneously to the heating of the medium. Thus, an efficient heating can be realized with little space.
Figure DE102017218899A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Mehrzahl von Heizelementen, insbesondere PTC-Heizelementen.The present invention relates to an electrical heating device for a motor vehicle with a plurality of heating elements, in particular PTC heating elements.

Elektrische Heizvorrichtungen kommen im Kraftfahrzeug zum Beispiel als Zusatzheizer zum Einsatz, um die Beheizung des Kraftfahrzeuginnenraums und anderer Komponenten, die primär durch die Abwärme des Motors erfolgt, zu ergänzen, oder zum Beispiel auch ein Heizen im Stillstand des Fahrzeugs zu ermöglichen.Electric heaters are used in the motor vehicle, for example, as additional heater to supplement the heating of the vehicle interior and other components, which is primarily due to the heat of the engine, or to allow, for example, a heating at standstill of the vehicle.

Von besonderer Bedeutung sind elektrische Heizvorrichtungen bei Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb, bei denen die Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs keine oder keine ausreichende Abwärme zur Erwärmung oder Klimatisierung des Fahrzeugs abgibt. Es ist von Vorteil, wenn sich eine Heizvorrichtung für Elektro- oder Hybridfahrzeuge zudem dazu eignet, neben der Versorgung des Innenraums des Kraftfahrzeugs mit der erforderlichen Heizwärme auch die für die ablaufenden Prozesse in einzelnen Anlagenteilen des Kraftfahrzeugs erforderliche oder zumindest diese fördernde Wärme bereitzustellen, wie zum Beispiel zur Vorwärmung des Fahrzeugakkumulators.Of particular importance are electrical heaters in vehicles with electric or hybrid drive, in which the drive unit of the motor vehicle emits no or no sufficient waste heat for heating or air conditioning of the vehicle. It is advantageous if a heating device for electric or hybrid vehicles is also suitable, in addition to the supply of the interior of the motor vehicle with the required heat and the required for the running processes in individual parts of the system motor vehicle or at least to provide these promotional heat, such Example for preheating the vehicle battery.

Die in Elektro- und Hybridfahrzeugen verwendeten Heizvorrichtungen sind für eine Betriebsspannung im automobiltechnischen Hochvoltbereich (oberhalb von 60 Volt, vorzugsweise einige hundert Volt, bis zu 500 Volt, üblicherweise zwischen 280 Volt und 430 Volt (z. B. 300 Volt oder 380 Volt)) vorgesehen, da die verwendeten Fahrzeugbatterien eine solche Bordnetzspannung zur Verfügung stellen. Die Heizleistung derartiger Hochvoltheizer liegt in der Größenordnung von 3 bis 6 kW (Kilowatt), gegenüber einer Größenordnung von 1 bis 1,7 kW (z. B. 1,2 kW) bei 12 Volt-Zuheizern für Kraftfahrzeuge.The heaters used in electric and hybrid vehicles are for an automotive high voltage range (above 60 volts, preferably several hundred volts, up to 500 volts, typically between 280 volts and 430 volts (eg, 300 volts or 380 volts)). provided because the vehicle batteries used provide such a vehicle electrical system voltage. The heating power of such high-voltage heaters is on the order of 3 to 6 kW (kilowatts), compared to an order of magnitude of 1 to 1.7 kW (eg 1.2 kW) for 12 volt auxiliary heaters for motor vehicles.

In elektrischen Heizvorrichtungen in Kraftfahrzeugen werden Widerstandsheizelemente eingesetzt, insbesondere PTC (positive temperature coefficient)-Heizelemente. PTC-Heizelemente sind selbstregelnd, da sie mit zunehmender Erwärmung einen höheren Widerstand zeigen, und deshalb bei gleicher Spannung eine geringere Menge an Strom durchlassen. Somit heizen sich die PTC-Elemente maximal auf eine definierte Temperatur auf. Die selbstregelnden Eigenschaften der PTC-Heizelemente verhindern deshalb eine Überhitzung. Die Oberflächentemperatur eines PTC-Elementes kann eine bestimmte maximale Oberflächentemperatur im Betrieb mit der vorgegebenen Betriebsspannung nicht überschreiten. Diese maximale Oberflächentemperatur ist kennzeichnend für ein PTC-Heizelement. Die von den PTC-Elementen erzeugte Wärme wird an ein fluides Medium, insbesondere an einen Luftstrom oder einen Wasserstrom abgegeben.Resistance heating elements are used in electric heating devices in motor vehicles, in particular PTC (positive temperature coefficient) heating elements. PTC heating elements are self-regulating, as they show a higher resistance with increasing heating, and therefore allow a smaller amount of current to pass at the same voltage. Thus, the PTC elements heat up to a maximum of a defined temperature. The self-regulating properties of the PTC heating elements therefore prevent overheating. The surface temperature of a PTC element can not exceed a certain maximum surface temperature during operation with the specified operating voltage. This maximum surface temperature is indicative of a PTC heating element. The heat generated by the PTC elements is delivered to a fluid medium, in particular to an air flow or a water flow.

Eine typische Widerstandskurve eines PTC-Heizelements in Abhängigkeit von der Temperatur ist in 1 wiedergegeben.A typical resistance curve of a PTC heater as a function of temperature is in 1 played.

Ein PTC-Heizelement erreicht nach dem Einschalten und der sich daran anschließenden Erwärmung einen Punkt der PTC-Kennlinie, an dem das PTC-Heizelement einen minimalen Widerstand Rmin aufweist. An diesem Punkt fließt der maximale Strom durch das PTC-Heizelement, der gegenüber dem Stromfluss im Normalbetrieb deutlich erhöht ist.A PTC heating element, after being turned on and then heated, reaches a point of the PTC characteristic at which the PTC heating element has a minimum resistance Rmin. At this point, the maximum current flows through the PTC heating element, which is significantly increased compared to the current flow in normal operation.

Durch ihre flache Bauweise weisen PTC-Heizelemente in Form von Keramikplättchen zusätzlich einen kapazitiven Einschaltstrom auf.Due to their flat design, PTC heating elements in the form of ceramic plates also have a capacitive inrush current.

Für PTC-Heizvorrichtungen ergeben sich dadurch hohe Einschaltströme, die den Aufbau solcher Heizvorrichtungen verteuern und den Betrieb in einem Kraftfahrzeugbordnetz erschweren.For PTC heaters, this results in high inrush currents, which make the construction of such heaters more expensive and complicate operation in a motor vehicle electrical system.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Heizvorrichtung anzugeben, die solche Einschaltströme vermeidet und eine effiziente Beheizung ermöglicht.The object of the invention is to provide an electric heater that avoids such inrush currents and allows efficient heating.

Dies wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht.This is achieved with the features of claim 1.

Eine erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug weist wenigstens zwei elektrische Heizelemente zur Erwärmung eines Mediums auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Wenigstens eines der Heizelemente ist ein PTC-Heizelement. Das weitere Heizelement ist ein in Form einer Spule gewickelter Heizleiter, der als Induktivität wirkt.An electric heater according to the invention for a motor vehicle has at least two electrical heating elements for heating a medium, which are electrically connected in series. At least one of the heating elements is a PTC heating element. The further heating element is a wound in the form of a coil heating conductor, which acts as an inductance.

Es ist der besondere Ansatz der Erfindung, in Reihe mit einem PTC-Heizelement eine Induktivität zu schalten, die den Einschaltstrom drosselt und gleichzeitig ebenfalls als Heizelement wirkt. Dazu ist die Induktivität so aufgebaut, dass ein Heizdraht in Form einer Spule gewickelt ist. Dadurch wirkt dieses Bauelement als Heizer und zugleich als Induktivität. Es kann also die durch den Heizdraht erzeugte Wärme an das Medium abgeben. Gleichzeitig wird die durch die Induktivität erzeugte Wärme ebenfalls zur Beheizung des Mediums zu Verfügung stellt.It is the particular approach of the invention to connect in series with a PTC heating element an inductance which throttles the inrush current and at the same time also acts as a heating element. For this purpose, the inductance is constructed so that a heating wire is wound in the form of a coil. As a result, this component acts as a heater and at the same time as an inductance. It can therefore deliver the heat generated by the heating wire to the medium. At the same time, the heat generated by the inductance is also provided for heating the medium.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann der Einschaltstrom niedrig gehalten und der kapazitive Einschaltpeak gekappt werden. Durch die Doppelverwendung des weiteren Heizelements als Induktivität und als Heizelement kann der benötigte Bauraum für die Heizung klein gehalten werden, da eine Induktivität nicht separat bereitgestellt werden muss.With the solution according to the invention, the inrush current can be kept low and the capacitive switch-on peak can be cut off. Due to the double use of the further heating element as an inductance and as a heating element, the required installation space for the heating can be kept small, since an inductance does not have to be provided separately.

Vorzugsweise weist die Heizvorrichtung eine Mehrzahl von parallel geschalteten und individuell ansteuerbaren Heizstufen auf, wobei jede der Heizstufen eine Reihenschaltung aus wenigstens einem PTC-Heizelement und einer Induktivität eines in Form einer Spule gewickelten Heizleiters umfaßt. Preferably, the heating device has a plurality of heating stages connected in parallel and individually controllable, wherein each of the heating stages comprises a series arrangement of at least one PTC heating element and an inductance of a coil conductor wound in the form of a coil.

Damit bleibt die flexible Einstellbarkeit der Heizleistung bzw. Zuschaltbarkeit von Heizstufen bekannter mehrstufiger elektrischer Heizvorrichtungen gewahrt und der erfindungsgemäße Vorteil wird für jede Heizstufe erreicht. Jede Heizstufe weist eine Kombination aus wenigstens einem PTC-Heizelement und einer Induktivität aus einem Heizleiter auf. Der Einschaltstrom kann dadurch für jede Heizstufe reduziert werden und die Wärme der Induktivität wird zusammen mit der Wärme des Heizleiters zusätzlich dem Medium zugeführt.Thus, the flexible adjustability of the heating power or connectability of heating stages known multistage electric heaters is maintained and the advantage of the invention is achieved for each heating stage. Each heating stage has a combination of at least one PTC heating element and an inductance of a heating conductor. The inrush current can thereby be reduced for each heating stage, and the heat of the inductance is additionally supplied to the medium together with the heat of the heating conductor.

Vorzugsweise ist die Reihenschaltung aus einem PTC-Heizelement und einem in Form einer Spule gewickelten Heizleiter zusätzlich noch durch eine in Reihe geschaltete Induktivität ergänzt, so dass jede Heizstufe eine solche zusätzliche Induktivität aufweist.. Diese zusätzliche Induktivität ist jedoch nicht zur Abgabe von Wärme an das Medium ausgebildet.Preferably, the series connection of a PTC heating element and a heating conductor wound in the form of a coil is additionally supplemented by a series-connected inductance, so that each heating stage has such an additional inductance. However, this additional inductance is not sufficient for the release of heat to the Medium formed.

Auf diese Weise ist die Induktivität einer Heizstufe variabel anpassbar. Dazu wird in jeder Reihenschaltung von Heizelementen (d.h. je Heizstufe) eine weitere Induktivität hinzugefügt. Diese ist jedoch nicht als Heizelement ausgestaltet, also keine aus einem Heizleiter gewickelte Spule. Dadurch enthält jede Heizstufe mindestens zwei Induktivitäten. Jedoch nur ein Teil der in Reihe mit dem oder den PTC-Heizelementen geschalteten Induktivitäten trägt zur Erwärmung des Mediums bei, nämlich die als Heizelement ausgebildete Induktivität. Die induktiven Eigenschaften einer Heizstufe können somit leicht angepaßt werden, beispielsweise dann, wenn die Induktivität der als Heizelement ausgebildeten Induktivität nicht ausreicht.In this way, the inductance of a heating stage is variably adjustable. For this purpose, a further inductance is added in each series connection of heating elements (i.e. However, this is not designed as a heating element, so no coil wound from a heating conductor. As a result, each heating stage contains at least two inductors. However, only a portion of the inductors connected in series with the PTC heating element (s) contribute to the heating of the medium, namely the inductance formed as a heating element. The inductive properties of a heating stage can thus be easily adapted, for example, when the inductance of the inductor formed as a heating element is insufficient.

Vorzugsweise ist die weitere Induktivität, die nicht zur Erwärmung des Mediums beiträgt, ebenfalls in der Heizvorrichtung vorgesehen, und zwar innerhalb einer in dem Gehäuse der Heizvorrichtung angeordneten Steuerschaltung,
Damit lassen sich die zusätzlichen Induktivitäten für die einzelnen Heizstufen in einfacher Weise in den bestehenden Aufbau der Heizvorrichtung integrieren.
Preferably, the further inductance, which does not contribute to the heating of the medium, is likewise provided in the heating device, namely within a control circuit arranged in the housing of the heating device,
Thus, the additional inductances for the individual heat levels can be easily integrated into the existing structure of the heater.

Vorzugsweise sind die äußeren Abmessungen der PTC-Heizelemente und der als Induktivität ausgebildeten Heizelemente gleich. Dadurch ist die elektrische Heizvorrichtung beliebig mit PTC-Heizelementen und als Induktivität ausgebildeten Heizelementen bestückbar.Preferably, the outer dimensions of the PTC heating elements and the heating elements designed as an inductance are the same. As a result, the electric heater can be equipped with PTC heating elements and heating elements designed as an inductance.

Weiter vorzugsweise sind die Heizelemente in der elektrischen Heizung in Form eines Heizregisters angeordnet. Das Heizregister weist eine Mehrzahl von Positionen zur Anordnung von Heizelementen auf. Jede der Postionen erlaubt alternativ die Anordnung eines PTC-Heizelements oder eines als Induktivität ausgebildeten Heizelements.Further preferably, the heating elements are arranged in the electric heater in the form of a heating register. The heating register has a plurality of positions for arranging heating elements. Each of the positions alternatively allows the arrangement of a PTC heating element or a heating element designed as an inductance.

Mit Heizelementen und Aufnahmepositionen, die jeweils unabhängig von dem Heizelementtyp sind, also PTC oder Induktivität, ist eine an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt Heizvorrichtung besonders einfach herstellbar. Ein Heizregister kann aus einem geschichteten Aufbau von Heizelementen (und ggf. auch Radiatorelementen) bestehen. In einer anderen Alternative sind in dem Gehäuse vordefinierte Postionen vorgesehen, an denen ein Heizelement (PTC oder Heizdraht) einsetzbar ist.With heating elements and receiving positions, which are each independent of the type of heating element, ie PTC or inductance, a heater adapted to the respective requirements is particularly easy to produce. A heating register may consist of a layered construction of heating elements (and possibly also radiator elements). In another alternative, predefined positions are provided in the housing, to which a heating element (PTC or heating wire) can be inserted.

Vorzugsweise werden die Heizstufen mit einer PWM (Puls Weiten Modulation) angesteuert. Damit ist in einfacher Weise eine stufenlose Einstellung der Heizleistung möglich.Preferably, the heating stages are controlled by a PWM (Pulse Width Modulation). This is in a simple way a continuous adjustment of the heating power possible.

Die Gesamtheizleistung einer Heizstufe bzw. der elektrischen Heizvorrichtung wird vorzugsweise zu jeweils gleichen Teilen von den PTC-Heizelementen und den als Heizelement ausgestalteten Induktivitäten erbracht. Das gilt insbesondere dann, wenn die Heizelemente, und ganz besonders das PTC-Heizelement, im eingeschwungenen Zustand arbeiten, also das besondere Einschaltverhalten (insbesondere den Punkt Rmin auf der Widerstandskennlinie für PTC-Heizelemente) durchlaufen haben. Die Gesamtheizleistung umfaßt die Heizleistung der PTC-Heizelemente und der als Heizelement ausgebildeten Induktivitäten.The total heating power of a heating stage or the electric heating device is preferably provided in equal parts by the PTC heating elements and the inductors designed as a heating element. This is especially true when the heating elements, and especially the PTC heating element, work in the steady state, so the special switch-on (in particular the point Rmin on the resistance characteristic for PTC heating elements) have passed through. The total heating power includes the heating power of the PTC heating elements and the inductors designed as a heating element.

Vorzugsweise wird die Gesamtheizleistung der elektrischen Heizvorrichtung zu mindestens 70 Prozent von den PTC-Heizelementen erbracht - im eingeschwungenen Zustand des Heizbetriebs.Preferably, the total heating power of the electric heater is provided to at least 70 percent of the PTC heating elements - in the steady state of the heating operation.

Die elektrische Heizvorrichtung kann als Luftheizer mit Luft als zu erwärmendem Medium als auch als Wasserheizer mit einer Flüssigkeit, z.B. Wasser als zu erwärmendem Medium ausgebildet sein.The electric heater can be used as an air heater with air as the medium to be heated, as well as a water heater with a liquid, e.g. Be formed as a water to be heated medium.

Eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung ist auch für andere Aufgaben im Kraftfahrzeug, zur Bereitstellung erforderlicher Prozesswärme, zum Vorwärmen oder Warmhalten betriebswichtiger Teile, wie zum Beispiel Batterie, einsetzbar.A heating device according to the invention can also be used for other tasks in the motor vehicle, for the provision of required process heat, for preheating or keeping warm important parts, such as battery.

Die Erfindung umfaßt insbesondere ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise eine Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer Betriebsspannung im automobiltechnischen Hochvoltbereich, mit einer entsprechend ausgestalteten elektrischen Heizvorrichtung.In particular, the invention comprises a motor vehicle, preferably an electric or hybrid vehicle with an operating voltage in the automotive high-voltage range, with a correspondingly designed electrical heating device.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Further advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen:

  • 1 eine typische Widerstandskurve eines PTC-Heizelements in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt;
  • 2 eine perspektivische Seitenansicht eines beispielhaften wärmeerzeugenden PTC-Heizelements in Explosionsdarstellung zeigt;
  • 3a bis 3d perspektivische Ansichten des inneren Aufbaus einer beispielhaften Induktivität zeigen; die gleichzeitig als Heizelement wirkt,
  • 4 einen Ausschnitt aus einem schematischen Querschnitt durch einen geschichteten Aufbau eines Heizregisters für einen Luftheizer zeigt;
  • 5 eine Aufsicht auf einen beispielhaften Luftheizer mit einem Heizregister zeigt;
  • 6 eine perspektivische Seitenansicht eines beispielhaften Wasserheizers mit einem Heizregister zeigt; und
  • 7a bis 7c schematische Darstellungen beispielhafter Reihenschaltungen einer elektrischen Heizvorrichtung mit einer und einer Mehrzahl von Heizstufen zeigen.
In the following, the present invention will be explained with reference to preferred embodiments in conjunction with the accompanying drawings, in which:
  • 1 shows a typical resistance curve of a PTC heating element as a function of the temperature;
  • 2 shows a side perspective view of an exemplary heat generating PTC heating element in exploded view;
  • 3a to 3d show perspective views of the internal structure of an exemplary inductance; which also acts as a heating element,
  • 4 shows a section of a schematic cross section through a layered structure of a heater for an air heater;
  • 5 a top view of an exemplary air heater with a heating register shows;
  • 6 a side perspective view of an exemplary water heater with a heating register shows; and
  • 7a to 7c show schematic representations of exemplary series connections of an electric heater with one and a plurality of heating stages.

Die elektrischen Heizvorrichtungen verwenden erfindungsgemäß eine Reihenschaltung mit zwei verschiedenen Arten von Heizelementen für jede Heizstufe, und zwar zum einen PTC-Heizelemente und zum anderen einen (Widerstands-) Heizleiter der gleichzeitig auch als Induktivität wirkt. Beide Arten von Heizelementen werden vorzugsweise als wärmeerzeugende Elemente mit vorgegebenen Ausmaßen vorgefertigt, so dass sie für den Aufbau der elektrischen Heizvorrichtung beliebig einsetzbar, nämlich austauschbar sind.The electric heaters use according to the invention a series connection with two different types of heating elements for each heating stage, namely on the one hand PTC heating elements and on the other hand, a (resistance) heating conductor which also acts as an inductance. Both types of heating elements are preferably prefabricated as heat-generating elements with predetermined dimensions, so that they can be used arbitrarily for the construction of the electric heater, namely interchangeable.

Die elektrische Heizvorrichtung enthält eine Mehrzahl wärmeerzeugender Elemente mit gleichen Abmessungen, die entweder PTC-Elemente oder einen Heizdraht enthalten. Auf diese Weise ist die jeweilige Zusammensetzung einer elektrischen Heizvorrichtung aus PTC-Heizelementen und Heizelementen mit Heizdraht beliebig konfigurierbar. Die einzelnen wärmeerzeugenden Elemente sind in der elektrischen Heizvorrichtung jeweils so (elektrisch) in Reihe geschaltet, dass eine Heizstufe wenigsten ein PTC-Heizelement und ein wärmeerzeugendes Element mit einem Heizdraht (der als Induktivität ausgebildet ist) enthält.The electric heater includes a plurality of heat-generating elements of the same dimensions containing either PTC elements or a heating wire. In this way, the respective composition of an electric heater of PTC heating elements and heating elements with heating wire is arbitrarily configurable. The individual heat-generating elements are respectively connected in series (electrically) in the electrical heating device in such a way that a heating stage contains at least one PTC heating element and a heat-generating element with a heating wire (which is designed as an inductance).

Die elektrische Heizvorrichtung umfaßt vorzugsweise nicht nur eine einzige Heizstufe, sondern eine Mehrzahl von separat ansteuerbaren Heizstufen. Jede Heizstufe ist je nach gewünschter Heizleistung separat zuschaltbar. Zusätzlich oder auch alternativ wird die Heizleistung jeder Heizstufe über eine PWM (Puls Weiten Modulation) eingestellt. Dabei können die einzelnen Heizstufen mit einem zeitlichen Versatz angesteuert werden, um die Belastung des Kraftfahrzeug-Bordnetzes gering zu halten.The electric heating device preferably comprises not only a single heating stage, but a plurality of separately controllable heating stages. Each heating level can be switched on separately depending on the desired heating capacity. Additionally or alternatively, the heating power of each heating stage via a PWM (pulse width modulation) is set. The individual heating stages can be controlled with a time offset in order to keep the burden of the motor vehicle electrical system low.

Eine beispielhafte Ausgestaltung für ein wärmeerzeugendes Element mit PTC-Elementen ist in 2 wiedergegeben. Das wärmeerzeugende Element umfasst jeweils ein Flachrohr 28, welches innenseitig mit einer tüllenförmigen, d. h. zylindrischen Isolierung 28.1 in Form einer isolierenden Folie, wie beispielsweise Polyimid oder Kapton ausgekleidet ist. Innerhalb der Isolierung 28.1 sind Kontaktbleche 28.2, 28.3 aufgenommen, die zwischen sich PTC-Elemente 28.4 aufnehmen und unmittelbar elektrisch leitend daran anliegen. Die Isolierung 28.1 kann eine elektrisch isolierende wärmebbeständige Folie umfassen, die ein- oder beidseitig mit PTFE beschichtet sein kann. Die isolierende Folie kann unter Druck und Wärme mit der Innenseite des Flachrohres 28 verschweißt werden, beispielsweise beim Betrieb der Heizvorrichtung. Die PTC-Elemente 28.4 sind mit einer Metallisierung versehen, die als Beschichtung auf den PTC-Elementen 28.4 aufgebracht ist.An exemplary embodiment for a heat generating element with PTC elements is shown in FIG 2 played. The heat-generating element each comprises a flat tube 28 , which on the inside with a sleeve-shaped, ie cylindrical insulation 28.1 in the form of an insulating film, such as polyimide or Kapton lined. Inside the insulation 28.1 are contact sheets 28.2 . 28.3 taken in between PTC elements 28.4 absorb and immediately electrically conductive abut it. The insulation 28.1 may comprise an electrically insulating heat-resistant film, which may be coated on one or both sides with PTFE. The insulating film can be under pressure and heat with the inside of the flat tube 28 be welded, for example, during operation of the heater. The PTC elements 28.4 are provided with a metallization, which as a coating on the PTC elements 28.4 is applied.

Jedes Kontaktblech 28.2., 28.3 hat eine durch Stanzen und Biegen einteilig daran ausgebildete Kontaktzunge 28.5. An der einen Seite ist das Flachrohr 28 durch einen Endstopfen 28.6 aus Kunststoff verschlossen, der dichtend in das Flachrohr 28 bzw. die Isolierung 28.1 eingeklebt ist. Auf der gegenüberliegenden Seite ist in gleicher Weise eine Endkappe 28.7 vorgesehen, die aus Kunststoff hergestellt und einteilig daran ausgebildete Führungshülsen 28.8 für die jeweiligen Kontaktzungen 28.5 ausformt. Wie ersichtlich sind die Kontaktzungen 28.5 endseitig umbogen und befinden sich in etwa auf mittlerer Höhe der PCT-Elemente 28.4.Every contact sheet 28.2 ., 28.3 has a contact tongue formed integrally thereon by punching and bending 28.5 , On one side is the flat tube 28 through an end plug 28.6 made of plastic, sealing in the flat tube 28 or the insulation 28.1 is glued. On the opposite side is in the same way an end cap 28.7 provided, made of plastic and integrally formed thereon guide sleeves 28.8 for the respective reeds 28.5 ausformt. As can be seen, the contact tongues 28.5 bend around at the end and are located at about the middle height of the PCT elements 28.4 ,

Als Isolierung gegen Hauptseitenflächen des Flachrohres 28 können auch isolierende Lagen vorgesehen sein beispielsweise Keramikplatten, Kunststofffolien oder mit Kunststofffolie beschichtete Keramikplatten. Die Isolierung ist eine elektrische Isolierung, die bevorzugt eine gute Wärmeleitfähigkeit von zumindest 20 W/(m K) haben sollte. Die einzelnen Lagen des Schichtaufbaus, bestehend aus der Isolierung 28.1 den Kontaktblechen 28.2, 28.3 sowie den PTC-Elementen 28.4 sind üblicherweise lose in das Flachrohr 28 eingeschoben. Durch die Endkappe 28.7 bzw. den Endstopfen 28.6 sind diese Elemente axial zunächst innerhalb des Flachrohres 28 fixiert.As insulation against main side surfaces of the flat tube 28 it is also possible to provide insulating layers, for example ceramic plates, plastic films or ceramic plates coated with plastic film. The insulation is an electrical insulation, which should preferably have a good thermal conductivity of at least 20 W / (m K). The individual layers of the layer structure, consisting of the insulation 28.1 the contact sheets 28.2 . 28.3 as well as the PTC elements 28.4 are usually loose in the flat tube 28 inserted. Through the end cap 28.7 or the end plug 28.6 These elements are axially first within the flat tube 28 fixed.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das in 2 konkret gezeigte und hier beschriebene Ausführungsbeispiel für ein PTC-Heizelement beschränkt. 2 zeigt lediglich eine mögliche Variante für die Ausgestaltung eines PTC-Heizelements zum Einbau in ein Heizregister. Andere Varianten sind im Stand der Technik allgemein bekannt. The present invention is not on the in 2 Specifically shown and described here embodiment for a PTC heating element limited. 2 shows only one possible variant for the configuration of a PTC heating element for installation in a heating coil. Other variants are well known in the art.

Eine beispielhafte Ausgestaltung für ein wärmeerzeugendes Element mit einem Heizdraht, das als Induktivität ausgebildet ist, ist in den 3a bis 3d wiedergegeben. Das wärmeerzeugende Element umfasst ein in 3d gezeigtes Flachrohr 30, das in seinen Außenmaßen dem in 2 gezeigten Flachrohr 28 des PTC-Heizelementes entspricht und mit diesem austauschbar eingesetzt werden kann. Das Flachrohr 30 nimmt einen Träger 31 auf, der aus einem isolierenden Material gefertigt ist. Als Trägermaterial eignen sich Materialien mit besonders guten Isolationseigenschaften und guter Hitzebeständigkeit, wie beispielsweise Kunstglimmer (Mikanit). Eine mögliche Formgebung für den Träger 31 ist in 3a gezeigt.An exemplary embodiment of a heat-generating element with a heating wire, which is designed as an inductance is in the 3a to 3d played. The heat generating element comprises an in 3d shown flat tube 30 which in its external dimensions is in the 2 shown flat tube 28 corresponds to the PTC heating element and can be used interchangeably with this. The flat tube 30 takes a carrier 31 on, which is made of an insulating material. Suitable carrier materials are materials with particularly good insulation properties and good heat resistance, such as artificial mica (mica). A possible design for the wearer 31 is in 3a shown.

Auf den Träger 31 ist ein Heizleiter 32 gewickelt, wie in 3b dargestellt. Als Material für den Heizleiter 32 kommen Heizleiterlegierungen mit hoher Temperaturbeständigkeit und vorzugsweise einem über weite Temperaturbereiche annähernd konstanten spezifischem elektrischen Widerstand (beispielsweise Konstantan) in Betracht.On the carrier 31 is a heating conductor 32 wrapped as in 3b shown. As material for the heating conductor 32 come Heizleiterlegierungen with high temperature resistance and preferably over a wide temperature ranges approximately constant specific electrical resistance (for example, constantan) into consideration.

Die Länge des Heizleiters 32 richtet sich nach den erforderlichen induktiven Eigenschaften und der zu erbringenden Heizleistung. Dabei ist der Heizleiter 32 in Form einer Wendel oder Doppelwendel, ggf. auch mehrlagig um den Träger 31 gewickelt.The length of the heating conductor 32 depends on the required inductive properties and the heat output to be provided. Here is the heating conductor 32 in the form of a helix or double helix, possibly also in several layers around the carrier 31 wound.

In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind an einem Ende in Längsrichtung des Trägers Kontaktzungen 33 gezeigt, über die der Heizleiter 32 elektrisch kontaktiert wird. Auch die Kontaktzungen 33 sind vorzugsweise entsprechend zu denen des PTC-Heizelementes aus 2 ausgestaltet, so dass beide Heizelemente austauschbar in der elektrischen Heizvorrichtung einsetzbar sind. Dazu können die Enden des Flachrohres 28 beispielsweise gemäß 2 mit einem Endstopfen 28.6 bzw. einer Endkappe 28.7 verschlossen sein, die für die elektrische Kontaktierung Führungshülsen 28.8 aufweise.In the in 3 shown embodiment are at one end in the longitudinal direction of the support contact tongues 33 shown, over which the heating conductor 32 is contacted electrically. Also the reeds 33 are preferably corresponding to those of the PTC heating element 2 designed so that both heating elements are used interchangeably in the electric heater. These can be the ends of the flat tube 28 for example according to 2 with a stopper 28.6 or an end cap 28.7 be closed, which for the electrical contacting guide sleeves 28.8 exhibiting.

In 3c ist eine äußere Isolation 35 des Trägers 31 mit dem gewickelten Heizleiter 32 dargestellt. Die Isolation 35 sollte besonders hitzebeständig sein und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Als Material kommt beispielsweise ebenfalls Kunstglimmer (Mikanit) in Betracht.In 3c is an external isolation 35 of the carrier 31 with the wound heating conductor 32 shown. The isolation 35 should be particularly heat resistant and have good thermal conductivity. As a material, for example, also art mica (micanite) into consideration.

Der Träger 31 mit dem gewickelten Heizleiter 32 und der Isolation 35 ist in das Flachroher 30 eingeschoben, das dem Flachrohr 28 entspricht, das in 2 in Zusammenhang mit dem PTC-Heizelement beschrieben ist. Durch eine entsprechende Endkappe bzw. einen Endstopfen wie in Zusammenhang mit 2 beschrieben, ist die Spule aus Heizdraht 32 axial innerhalb des Flachrohres 28 fixierbar.The carrier 31 with the wound heating conductor 32 and the isolation 35 is in the flatroaster 30 pushed in, the flat tube 28 corresponds to that in 2 described in connection with the PTC heating element. By a corresponding end cap or an end plug as in connection with 2 described, the coil is made of heating wire 32 axially within the flat tube 28 fixable.

Die vorliegende Erfindung ist keinesfalls auf das in 3 konkret gezeigte und hier beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. 3 zeigt lediglich eine mögliche Variante für die Ausgestaltung eines Heizelements als Induktivtät, bei der ein Heizleiter in Form einer Spule zum Heizen und zur Wärmeerzeugung eingesetzt wird.The present invention is by no means limited to that in 3 specifically shown and limited embodiment described here. 3 shows only one possible variant for the design of a heating element as Induktivtät, in which a heating element is used in the form of a coil for heating and for heat generation.

Die Heizelemente, mit PTC-Elementen oder Heizdraht, werden in der elektrischen Heizvorrichtung vorzugsweise in Form eines Heizregisters angeordnet. Ein schematisches Beispiel für einen Aufbau eines Heizregisters für Luftheizer ist in 4 wiedergegeben. Das Heizregister 40 besteht aus einem geschichteten Aufbau von Heizelementen 41, 42 und Radiatorelementen 43. Zusätzlich können weitere Schichten wie Kontaktbleche, elektrische Isolationsschichten usw. vorgesehen sein. Der geschichtete Aufbau wird in einer Richtung senkrecht zur Bildfläche von Luft durchströmt.The heating elements, with PTC elements or heating wire, are preferably arranged in the electric heating device in the form of a heating register. A schematic example of a structure of a heater for air heaters is in 4 played. The heating register 40 consists of a layered construction of heating elements 41 . 42 and radiator elements 43 , In addition, further layers such as contact sheets, electrical insulation layers, etc. may be provided. The layered structure is traversed by air in a direction perpendicular to the image surface.

In dem in 4 gezeigten Aufbau sind zwischen Radiatorelementen 43 Heizelemente 41, 42 angeordnet. In den Schichten mit Heizelementen 41, 42 sind entweder PTC-Heizelemente 41 oder Heizleiter-Heizelemente 42 vorgesehen. Vorzugsweise wechseln sich die Arten von Wärme erzeugenden Elementen (also entweder PTC oder Heizleiter mit induktiven Eigenschaften) in aufeinanderfolgenden Schichten mit Radiatorelementen zur Abgabe der Wärme an das durchströmende Medium ab.In the in 4 shown construction are between radiator elements 43 heating elements 41 . 42 arranged. In the layers with heating elements 41 . 42 are either PTC heating elements 41 or heating element heating elements 42 intended. Preferably, the types of heat generating elements (ie either PTC or heat conductors with inductive properties) alternate in successive layers with radiator elements for dissipating the heat to the medium flowing through.

Die beiden in 4 gezeigten Heizelemente sind beispielsweise Teil derselben Heizstufe und elektrisch in Reihe geschaltet.The two in 4 For example, shown heating elements are part of the same heating stage and electrically connected in series.

Wie zuvor ausgeführt sind die Heizelemente 41, 42 in ihren Abmessungen und ihren Kontakten vorzugsweise gleich ausgebildet, so dass sie beliebig in dem Register 40 einsetzbar sind.As previously stated, the heating elements 41 . 42 in their dimensions and their contacts preferably the same design, so that they arbitrarily in the register 40 can be used.

Die Darstellung in 4 zeigt nur einen Ausschnitt eines Heizregisters in schematischer Weise. Zusätzlich können weitere Schichten aus Heizelementen 41, 42 und Radiatorelementen vorgesehen sein, die beispielsweise zusätzlichen Heizstufen entsprechen.The representation in 4 only shows a section of a heating register in a schematic manner. In addition, additional layers of heating elements 41 . 42 and radiator elements may be provided which correspond, for example, additional heat levels.

Bei einem Wasserheizer kann das Heizregister ebenfalls aus einem geschichteten Aufbau von Schichten von Heizelementen und Radiatorelementen bestehen. Alternativ ragen die wärmeerzeugenden Elemente an vordefinierten Positionen benachbart zueinander in den Volumenstrom des flüssigen Mediums.In a water heater, the heating coil may also consist of a layered structure of layers of heating elements and radiator elements. Alternatively, the heat-generating elements protrude at predefined positions adjacent to each other in the volume flow of the liquid medium.

Eine Beispiel für eine als Luftheizer ausgebildete elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug ist in 5 wiedergegeben. Das in einem Rahmen 51 gehaltene Heizregister enthält einen geschichteten Aufbau aus Heizelementen (PTC und Heizdraht) 53, 54 und Radiatorelementen 55. In dem gezeigten Beispiel sind jeweils drei PTC-Heizelemente 53 und drei Heizelemente 54 mit einem in Form einer Spule gewickelten Heizdraht dargestellt. Das Heizregister wird in einer Richtung senkrecht zur Bildfläche von Luft durchströmt.An example of an electric heater designed as an air heater for a motor vehicle is in 5 played. That in a frame 51 held heater contains a layered structure of heating elements (PTC and heating wire) 53, 54 and radiator elements 55 , In the example shown there are three PTC heating elements each 53 and three heating elements 54 shown with a wound in the form of a coil heating wire. The heater is traversed in a direction perpendicular to the image surface of air.

Auf der linken Seite der in 5 dargestellten elektrischen Heizvorrichtung schließt sich an das Heizregister ein nach außen abgeschlossener Gehäuseabschnitt 56 an, in dem eine elektrische Steuerschaltung für die Heizelemente 53, 54 vorgesehen ist. Diese wird über die Kontaktbolzen 57 mit Strom versorgt, den die Steuerschaltung je nach gewünschter Heizleistung, an die Heizelemente 53, 54 weiterleitet.On the left side of the in 5 shown electric heater closes to the heater an outwardly closed housing portion 56 in which an electrical control circuit for the heating elements 53 . 54 is provided. This is done via the contact pins 57 supplied with power, the control circuit depending on the desired heating power, to the heating elements 53 . 54 forwards.

Die Steuerschaltung übernimmt die Einstellung der von den Heizelementen 53, 54 zu erbringenden Heizleistung. Dazu kann sie zusätzlich Signale über einen Bus-Anschluss wie beispielsweise einem CAN-Bus erhalten (nicht dargestellt).The control circuit adopts the setting of the heating elements 53 . 54 to be provided heating power. For this purpose, it can additionally receive signals via a bus connection, such as a CAN bus (not shown).

Jede Heizstufe (mit mindestens zwei Heizelementen 53, 54) der Heizvorrichtung ist separat mit der Steuerschaltung verbunden. Dabei sind vorzugsweise benachbarte Heizelemente 53, 54 mit PTC-Heizelementen bzw. einem in Form einer Spule gewickelten Heizleiter elektrisch in Reihe geschaltet. In dem Beispiel der 5 sind drei Heizstufen gezeigt, die jeweils zwei zu einer Heizstufe in Reihe geschaltete Heizelemente 53, 54 enthalten.Each heating stage (with at least two heating elements 53 . 54 ) of the heater is separately connected to the control circuit. In this case, preferably adjacent heating elements 53 . 54 electrically connected in series with PTC heating elements or a heating conductor wound in the form of a coil. In the example of 5 three heating stages are shown, each with two connected to a heating stage in series heating elements 53 . 54 contain.

Bei Heizstufen mit mehr als zwei Heizelementen je Heizstufe, beispielsweise drei oder vier Heizelementen, sind entsprechend mehr der in 5 gezeigten Heizelemente in Reihe geschaltet.For heating stages with more than two heating elements per heating stage, for example, three or four heating elements are correspondingly more in 5 shown heating elements connected in series.

Alternativ zu der in 5 gezeigten Ausrüstung des Heizregisters mit einer gleichen Anzahl von PTC-Heizelementen 53 und Heizleiter-Heizelementen 54, können beispielsweise zwei Heizelemente 54 mit Heizleiter und vier PTC-Heizelemente 53 vorgesehen sein. Eine Heizstufe setzt sich in dem Fall aus einer Reihenschaltung von einem Heizelement 54 mit Heizleiter und zwei PTC-Heizelementen 53 zusammen.Alternatively to the in 5 shown heating register equipment with an equal number of PTC heating elements 53 and heating element heating elements 54 , for example, two heating elements 54 with heating element and four PTC heating elements 53 be provided. A heating stage is in this case composed of a series connection of a heating element 54 with heating element and two PTC heating elements 53 together.

Erfindungsgemäß kann eine beliebige Anzahl von PTC-Heizelementen 53 mit wenigstens einem Heizelement 54 mit Heizleiter für eine Heizstufe in Reihe geschaltet werden. Beispielsweise kann eine Heizstufe eins, zwei, drei, vier, fünf oder auch mehr PTC-Heizelemente 53 umfassen und ein (zwei oder mehr) Heizleiter-Heizelemente 54.According to the invention, any number of PTC heating elements 53 with at least one heating element 54 be connected in series with heating conductor for a heating stage. For example, a heating level may be one, two, three, four, five, or even more PTC heating elements 53 and one (two or more) heating element heating elements 54 ,

Die Heizung kann eine beliebige Anzahl von Heizstufen aufweisen, die jeweils aus einer Reihenschaltung aus PTC-Heizelementen 53 und vorzugsweise einem Heizleiter-Heizelement 54 bestehen. Das Heizelement 54 mit dem zu einer Spule gewickelten Heizdraht wirkt als Induktivität zur Dämpfung des Einschaltstroms der jeweiligen Heizstufe.The heater can have any number of heating stages, each consisting of a series of PTC heating elements 53 and preferably a heating conductor heating element 54 consist. The heating element 54 with the wound into a coil heating wire acts as an inductor for damping the inrush current of the respective heating stage.

Zur Anpassung der Höhe der Induktivität kann in der Reihenschaltung einer Heizstufe, falls erforderlich, auch eine zusätzliche Induktivität vorgesehen sein, die nicht als Heizelement 54 ausgebildet ist. Eine solche zusätzliche Induktivität in der Reihenschaltung der Heizelemente einer Heizstufe ist vorzugsweise auf der Platine der Steuerschaltung im Abschnitt 56 des Gehäuses angeordnet. Diese Induktivität trägt damit nicht zur Erwärmung des Mediums bei, in dem in 5 gezeigten Beispiel also nicht zur Erwärmung der durch das Heizregister strömenden Luft.To adjust the height of the inductance, in the series connection of a heating stage, if necessary, an additional inductance can be provided which does not serve as a heating element 54 is trained. Such additional inductance in the series connection of the heating elements of a heating stage is preferably on the board of the control circuit in the section 56 of the housing. This inductance thus does not contribute to the heating of the medium in which 5 So example not shown to heat the air flowing through the heater air.

Durch eine zusätzliche Induktivität in der Reihenschaltung, die nicht zur Erwärmung des Mediums beiträgt und vorzugsweise auf der Platine der Steuerschaltung angeordnet ist, kann die Gesamtinduktivität jeder Heizstufe in einfacher Weise ausgehend von der Induktivität des Heizleiter-Heizelementes 54 angepaßt werden. Das Heizleiter-Heizelement 54 kann also eine Grundinduktivität pro Heizstufe bereitstellen. Diese Grundinduktivität der Heizstufe wird in einfacher Weise durch eine zusätzlich in der Reihenschaltung vorgesehene Induktivität ergänzt. Diese zusätzliche Induktivität ist nicht zur Abgabe von Wärme direkt an das zu erwärmende Medium angekoppelt und deshalb nicht in das Heizregister integriert. Eine solche zusätzliche Induktivität ist nicht auf die in Zusammenhang mit 5 beschriebene Heizvorrichtung beschränkt.By an additional inductance in the series circuit, which does not contribute to the heating of the medium and is preferably arranged on the circuit board of the control circuit, the Gesamtinduktivität each heating stage in a simple manner, starting from the inductance of the heating element heating element 54 be adjusted. The heating element heating element 54 can thus provide a basic inductance per heating stage. This basic inductance of the heating stage is supplemented in a simple manner by an inductance additionally provided in the series connection. This additional inductance is not coupled to the delivery of heat directly to the medium to be heated and therefore not integrated into the heating coil. Such additional inductance is not related to 5 described heater limited.

Die vorliegende Erfindung ist keinesfalls auf den in 5 konkret gezeigten und beschriebenen Luftheizer beschränkt. 5 zeigt lediglich eine mögliche Variante für die Ausgestaltung eines Luftheizers mit einem Heizregister. Andere Varianten sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.The present invention is by no means limited to the in 5 specifically shown and described air heater limited. 5 shows only one possible variant for the design of an air heater with a heater. Other variants are well known in the art.

6 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel einer elektrischen Heizvorrichtung in Form eines Wasserheizers bei dem ein flüssiges Medium erwärmt wird. 6 shows a possible embodiment of an electric heater in the form of a water heater in which a liquid medium is heated.

Der in 6 dargestellte Wasserheizer umfaßt einen Gehäuseblock 60, der einteilig ausgebildet ist. Der Gehäuseblock 60 ist einteilig mit im Inneren liegenden Gehäusewänden ausformt, die einen Einlasskanal 61 und einen Auslasskanal 62 für das flüssige Medium innenseitig begrenzen. An der den Kanälen 61, 62 gegenüberliegenden Seite sind ebene und sich parallel zueinander erstreckende Anlageflächen zur Anordnung eines Heizregisters 65 ausgebildet. Das Heizregister setzt sich aus einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten bzw. geschichteten wärmeerzeugenden Elementen zusammen und wird von dem Medium, also in diesem Fall von der zu erwärmenden Flüssigkeit, durchströmt.The in 6 shown water heater comprises a housing block 60 which is integrally formed. The housing block 60 is integrally formed with interior housing walls which forms an inlet channel 61 and an outlet channel 62 for the limit liquid medium on the inside. At the channels 61 . 62 opposite side are flat and mutually parallel contact surfaces for arranging a heater 65 educated. The heating coil is composed of a plurality of juxtaposed or layered heat-generating elements and is flowed through by the medium, in this case by the liquid to be heated.

In dem Gehäuseblock 60 kann zusätzlich zu dem von dem zu erwärmenden Mediums durchflossenen Bereich eine davon vollständig abgeschlossene Kammer 68 vorgesehen sein. Dazu trennt eine Trennwand 64 eine Kammer für das zu erwärmende flüssige Medium, vorliegend Wasser, von einer Steuerkammer 68.In the housing block 60 may in addition to the area to be heated by the medium to be heated area thereof a completely completed chamber 68 be provided. In addition a dividing wall separates 64 a chamber for the liquid medium to be heated, in this case water, from a control chamber 68 ,

Eine solche Steuerkammer 68 kann eine Steuerschaltung mit einer Platine 69 aufnehmen. Auf der Platine sind beispielsweise die Steuertransistoren für die Ansteuerung der Heizelemente angeordnet, die den den Heizelementen zuzuführenden Strom einstellen, beispielsweise basierend auf einer PWM-Ansteuerung.Such a control chamber 68 can be a control circuit with a circuit board 69 take up. On the board, for example, the control transistors for the control of the heating elements are arranged, which adjust the power supplied to the heating elements, for example based on a PWM control.

Zusätzlich können auf der Steuerplatine 69 weitere Induktivitäten (Spulen) vorgesehen sein, die - falls erforderlich - zusätzlich zu den als Induktivitäten ausgebildeten Heizdraht-Heizelementen vorgesehen und jeweils in Reihe mit den Heizelementen einer Heizstufe geschaltet sind.In addition, on the control board 69 Further inductances (coils) may be provided, which - if necessary - provided in addition to the formed as inductors heating wire heating elements and are each connected in series with the heating elements of a heating stage.

Bei einer solchen Ausgestaltung kann zwar die Verlustleistung der Steuertransistoren und der zusätzlichen Induktiväten zur Erwärmung des Mediums beitragen. Als Heizelemente sind diese zusätzlichen Induktivitäten dabei jedoch nicht ausgebildet und der Beitrag zur Erwärmung des Mediums fällt verglichen mit dem der als Heizleiter-Heizelement ausgebildeten Induktivitäten deutlich geringer aus.In such an embodiment, although the power loss of the control transistors and the additional inductors contribute to the heating of the medium. As heating elements, however, these additional inductances are not formed and the contribution to the heating of the medium is significantly lower compared to that of the inductors designed as a heating conductor heating element.

Seitlich wird der in 6 gezeigte Gehäuseblock 60 vorzugsweise durch Verschlusskappen (nicht gezeigt) mit entsprechenden Anschlüssen abgedichtet.Laterally, the in 6 shown housing block 60 preferably sealed by sealing caps (not shown) with corresponding connections.

Die vorliegende Erfindung ist keinesfalls auf den in 6 konkret gezeigten und beschriebenen Wasserheizer beschränkt. 6 zeigt lediglich eine mögliche Variante für die Ausgestaltung eines Wasserheizers. Andere Varianten sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt.The present invention is by no means limited to the in 6 specifically shown and described water heater limited. 6 shows only one possible variant for the design of a water heater. Other variants are well known in the art.

Die elektrische Verschaltung der Heizelemente der elektrischen Heizvorrichtung ist schematisch in den 7a bis 7c dargestellt.The electrical connection of the heating elements of the electric heater is shown schematically in the 7a to 7c shown.

In 7a sind beispielhaft die Elemente einer Heizstufe 70 wiedergegeben. Jede Heizstufe 70 umfaßt wenigstens ein PTC-Heizelement 71 und wenigstens ein als Induktivität ausgebildetes Heizdraht-Heizelement 72, bei der ein Heizleiter in Form einer Spule gewickelt ist. Diese Reihenschaltung der Heizelemente 71, 72 wird durch einen Steuerschalter 73 angesteuert. Der Steuerschalter 73 ist vorzugsweise ein Steuertransistor der in Form eines Leistungstransistors in der Lage ist, hohe Ströme zu schalten.In 7a are examples of the elements of a heating stage 70 played. Every heating level 70 comprises at least one PTC heating element 71 and at least one formed as an inductance heating wire heating element 72 in which a heating conductor is wound in the form of a coil. This series connection of the heating elements 71 . 72 is controlled by a control switch 73 driven. The control switch 73 is preferably a control transistor which is in the form of a power transistor capable of switching high currents.

Die elektrische Heizvorrichtung umfaßt im Allgemeinen eine Mehrzahl von Heizstufen 70a, 70b, 70c, wie in 7b gezeigt. Jede der Heizstufen 70a, 70b, 70c umfaßt ein oder auch mehrere in Reihe geschaltete PTC-Heizelemente 71a, 71b, 71c und jeweils wenigstens ein weiteres Heizelement 72a, 72b, 72c, das als Induktivität ausgebildet ist und einen in Form einer Spule gewickelten Heizleiter enthält.The electric heater generally includes a plurality of heating stages 70a . 70b . 70c , as in 7b shown. Each of the heating levels 70a . 70b . 70c includes one or more PTC heating elements connected in series 71a . 71b . 71c and at least one further heating element in each case 72a . 72b . 72c , which is formed as an inductance and contains a coil wound in the form of a heating conductor.

Die Heizleistung jeder der Heizstufen ist durch einen separaten Steuerschalter 73a, 73b, 73c individuell einstellbar. Die Heizleistung der einzelnen Heizstufen 70a, 70b, 70c wird vorzugsweise mit einer PWM-Steuerung eingestellt. Dabei ist es vorteilhaft für die Belastung des Bordnetzes, wenn die Taktung der einzelnen Heizstufen mit zeitlichem Versatz erfolgt.The heat output of each of the heating stages is controlled by a separate control switch 73a . 73b . 73c individually adjustable. The heat output of the individual heating stages 70a . 70b . 70c is preferably set with a PWM control. It is advantageous for the burden of the electrical system when the clocking of the individual heating stages takes place with a time lag.

Zur Anpassung der Induktivtät jeder der Heizstufen 70a, 70b, 70c kann eine zusätzliche Induktivität 75a, 75b, 75c in jeder der Heizstufen vorgesehen sein, wie in 7c dargestellt. Die zusätzliche Induktivität 75a, 75b, 75c ist mit den Heizelementen 71, 72 jeder Heizstufe jeweils in Reihe geschaltet.To adapt the inductance of each of the heating stages 70a . 70b . 70c can be an additional inductance 75a . 75b . 75c be provided in each of the heating stages, as in 7c shown. The additional inductance 75a . 75b . 75c is with the heating elements 71 . 72 Each heating stage connected in series.

Die Heizleistung, die von den PTC-Heizelementen 71 einerseits und den als Heizelementen ausgestalteten Induktivitäten 72 andererseits in der elektrischen Heizvorrichtung erbracht wird, ist in etwa gleich groß, das heißt im Mittel tragen die PTC-Heizelemente 71 und die als Heizleiter ausgestalteten Induktivitäten 72 zu gleichen Teilen zur Erwärmung des Mediums bei.The heating power provided by the PTC heating elements 71 on the one hand and the inductors designed as heating elements 72 on the other hand is provided in the electric heater is about the same size, that is, on average wear the PTC heating elements 71 and the inductors designed as heating conductors 72 in equal parts to the heating of the medium at.

Diese Aufteilung der Heizleistungen bezieht sich auf den eingeschwungenen Zustand, wenn das/die PTC-Heizelemente den Punkt Rmin auf der PTC-Widerstandskennlinie durchlaufen haben.This distribution of heating powers refers to the steady state condition when the PTC heating element (s) have passed through the point Rmin on the PTC resistance characteristic.

Sollten die PTC-Heizelemente 71 nicht mehr in der Lage sein, die volle Heizleistung an das Medium abzugeben, beispielsweise durch einen niedrigeren Luftdurchsatz, verschiebt sich die Leistungsaufteilung wieder. Der Widerstand der PTC-Heizelemente und damit der Spannungsabfall an den PTC-Heizelementen 71 steigt im Verhältnis zum Heizleiter-Heizelement 72 wieder an. Somit wird prozentual mehr Leistung über die PTC-Heizelemente abgegeben (wobei sich die Gesamtheizleistung der Heizvorrichtung verringert). Vorzugsweise wird bei der Heizvorrichtung mindestens 50 Prozent der Gesamtheizleistung von den PTC-Heizelementen erbracht.Should the PTC heating elements 71 no longer be able to deliver the full heating power to the medium, for example by a lower air flow, the power distribution shifts again. The resistance of the PTC heating elements and thus the voltage drop across the PTC heating elements 71 increases in relation to the heating element heating element 72 back to. Thus, percentage more power is delivered through the PTC heaters (reducing the overall heater heater power). Preferably, at least 50 percent of the total heating power is provided by the PTC heating elements in the heater.

In einer alternativen Ausgestaltung erbringen die PTC-Heizelemente 70 bis 90 Prozent der insgesamt erbrachten Heizleistung, die Heizleiter-Heizelemente, die als Induktivität ausgestaltet sind, entsprechend nur zu 30 bis 10 Prozent. Auch diese Aufteilung bezieht sich auf den eingeschwungenen Zustand der Heizung, also wenn die Anfangseffekte wie hohe Einschaltströme abgeklungen sind. Im Betrieb wird von den PTC-Heizelementen mindestens 70 Prozent der Gesamtheizleistung erbracht, in einer alternativen Ausgestaltung sogar mindestens 90 Prozent.In an alternative embodiment, the PTC heating elements provide 70 to 90 Percent of the total heating power supplied, the heating element heating elements, which are designed as an inductor, corresponding to only 30 to 10 percent. This division also refers to the settled state of the heating, ie when the initial effects such as high inrush currents have subsided. In operation, the PTC heating elements provide at least 70 percent of the total heating power, in an alternative embodiment even at least 90 percent.

PTC-Heizelemente 71 sind mit einem Selbstschutz gegen Überhitzung ausgestattet. Da der Widerstand von der Temperatur abhängt, wird der Stromfluss automatisch reduziert, wenn sich die Temperatur des Heizelementes erhöht. Eine Überhitzung kann damit wirksam verhindert werden.PTC heating elements 71 are equipped with a self-protection against overheating. Since the resistance depends on the temperature, the current flow is automatically reduced as the temperature of the heating element increases. Overheating can thus be effectively prevented.

Heizungen mit einem Heizleiter weisen einen solchen Selbstschutz hingegen nicht auf. Sind Heizelemente mit einem Heizleiter 72 und PTC-Heizelemente 71 jedoch erfindungsgemäß in Reihe geschaltet, wirkt sich der Überhitzungsschutz der PTC-Heizelement 72 auch auf die in Reihe geschalteten Heizleiter-Heizelemente 71 aus.Heaters with a heat conductor, however, do not have such self-protection. Are heating elements with a heating conductor 72 and PTC heating elements 71 However, according to the invention connected in series, the overheating protection of the PTC heating element 72 also on the series-connected heating element heating elements 71 out.

Die Schutzwirkung für die Heizleiter-Heizelemente 72 wird in der erfindungsgemäßen Reihenschaltung dadurch erreicht, dass bei steigender Temperatur ein immer größerer Anteil der Spannung am PTC-Heizelement 71 abfällt. Der Anteil der Spannung, der am Heizleiter-Heizelement 72 abfällt, verringert sich mit zunehmender Temperatur immer weiter. Entsprechend nimmt auch die Heizleistung des Heizleiter-Heizelements 72 ab. Wenn der Widerstand des PTC-Heizelementes 71 bei hohen Temperaturen einen extrem hohen Widerstandswert aufweist, fällt die gesamte Spannung am PTC-Heizelement 71 ab und auch das in Reihe geschalteten Heizdraht-Heizelement 71 erzeugt keine Wärme mehr.The protective effect for the heating element heating elements 72 is achieved in the series connection according to the invention characterized in that with increasing temperature an increasing proportion of the voltage at the PTC heating element 71 drops. The proportion of voltage at the heating element heating element 72 decreases, continues to decrease with increasing temperature. Accordingly, the heating power of the heating element heating element also decreases 72 from. When the resistance of the PTC heating element 71 At high temperatures, it has an extremely high resistance, so the total voltage on the PTC heating element drops 71 from and also the series heating wire heating element 71 does not generate heat anymore.

Damit lassen sich PTC- und Heizdraht-Heizelemente 71, 72 in einer Heizung durch Reihenschaltung wirksam kombinieren, ohne dass auf den effektiven Überhitzungsschutz der PTC-Heizelemente 72 verzichtet werden muss.This allows PTC and heating wire heating elements 71 . 72 Combine effectively in a heater by series connection, without affecting the effective overheating protection of the PTC heating elements 72 must be waived.

Durch Reihenschaltung der PTC-Heizelemente mit Heizleiter-Heizelementen, die als Induktivität durch Wicklung des Heizleiters in Form einer Spule ausgebildet sind, kann der Einschaltstrom über einen großen Spannungsbereich niedrig gehalten werden. Durch die Wicklung des Heizleiters wird der kapazitive Einschaltstrom der PTC-Heizelemente gekappt.By series connection of the PTC heating elements with heating element heating elements, which are formed as an inductance by winding the heating element in the form of a coil, the inrush current over a wide voltage range can be kept low. The winding of the heating conductor cuts off the capacitive inrush current of the PTC heating elements.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind eine niedrigere Ripplespannung, bessere EMV (elektromagnetische Verträglichkeit), die Möglichkeit einer höheren Taktung bei PMV-Ansteuerung (bis 20 kHz), eine Reduzierung des Bauraums auf der Steuerplatine und eine Kostenersparnis für die Steuerelektronik.Further advantages of the embodiment according to the invention are a lower ripple voltage, better EMC (electromagnetic compatibility), the possibility of higher clocking with PMV control (up to 20 kHz), a reduction of the installation space on the control board and a cost savings for the control electronics.

Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Heizvorrichtung zur Erwärmung eines Mediums, vorzugsweise entweder Wasser oder Luft. Zur Erwärmung des Mediums ist ein oder eine Mehrzahl von Heizstufen vorgesehen, die separat ansteuerbar sind. Jede der Heizstufen ist mit wenigstens einem PTC-Heizelement ausgestattet. In Reihe mit dem PTC-Heizelement ist in jeder Heizstufe wenigsten ein weiteres Heizelement geschaltet. Das weitere Heizelement ist als Induktivität ausgebildet und weist dazu einen in Form einer Spule gewickelten Heizleiter auf. Auf diese Weise kann der Einschaltstrom der PTC-Heizelemente erniedrigt und dabei entstehende Abwärme an das zu erwärmende Medium abgegeben werden. Dadurch dass die Spule der Induktivität aus einem Heizleiter gebildet ist, trägt sie außerdem gleichzeitig zur Beheizung des Mediums bei. So läßt sich eine effiziente Heizung mit geringem Bauraum realisieren.In summary, the present invention relates to an electrical heating device for heating a medium, preferably either water or air. For heating the medium, one or a plurality of heating stages is provided which can be controlled separately. Each of the heating stages is equipped with at least one PTC heating element. In series with the PTC heating element, at least one additional heating element is connected in each heating stage. The further heating element is designed as an inductor and has to a wound in the form of a coil heating conductor. In this way, the inrush current of the PTC heating elements can be lowered and any resulting waste heat emitted to the medium to be heated. The fact that the coil of the inductance is formed of a heating element, it also contributes simultaneously to the heating of the medium. Thus, an efficient heating can be realized with little space.

Claims (14)

Elektrische Heizvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens zwei elektrischen Heizelementen (71, 72) zur Erwärmung eines Mediums, wobei die beiden Heizelemente (71, 72) elektrisch in Reihe geschaltet sind und wenigstens eines der Heizelemente (72) ein PTC-Heizelement ist dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Heizelement (72) als Induktivität ausgebildet ist und einen in Form einer Spule gewickelten Heizleiter umfaßtElectric heating device for a motor vehicle having at least two electrical heating elements (71, 72) for heating a medium, wherein the two heating elements (71, 72) are electrically connected in series and at least one of the heating elements (72) is a PTC heating element, characterized the further heating element (72) is designed as an inductance and comprises a heating conductor wound in the form of a coil Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrischen Heizelemente (71, 72) eine erste Heizstufe (70a) bilden und die elektrische Heizvorrichtung weitere, separat ansteuerbare Heizstufen (70b, 70c) umfaßt, wobei jede der Heizstufen (70a, 70b, 70c) eine Reihenschaltung aus wenigstens einem PTC-Heizelement (71a, 71b, 71c) und einem in Form einer Spule gewickelten Heizleiter als weiteres Heizelement (72a, 72b, 72c) aufweist.Electric heater after Claim 1 , characterized in that the two electrical heating elements (71, 72) form a first heating stage (70a) and the electric heating device further, separately controllable heating stages (70b, 70c), wherein each of the heating stages (70a, 70b, 70c) a series circuit comprising at least one PTC heating element (71a, 71b, 71c) and a heating conductor wound in the form of a coil as a further heating element (72a, 72b, 72c). Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung aus einem PTC-Heizelement (71) und einem in Form einer Spule gewickelten Heizleiter als weiterem Heizelement (72) zusätzlich eine weitere in Reihe geschaltete Induktivität (75) aufweist, die jedoch nicht als Heizelement zur Abgabe von Wärme an das Medium ausgebildet ist.Electric heater after Claim 1 or 2 , characterized in that the series connection of a PTC heating element (71) and a coiled in the form of a coil heating element as a further heating element (72) additionally comprises a further series-connected inductance (75), but not as a heating element for the release of heat is formed on the medium. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reihenschaltung jeder der Heizstufen (70a, 70b, 70c) eine zusätzliche Induktivität (75a, 75b, 75c) vorgesehen ist, die nicht als Heizelement zur Abgabe von Wärme an das Medium ausgebildet ist. Electric heater after Claim 3 , characterized in that in the series connection of each of the heating stages (70a, 70b, 70c) an additional inductance (75a, 75b, 75c) is provided, which is not designed as a heating element for delivering heat to the medium. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizvorrichtung eine Steuerschaltung zur Ansteuerung der Heizelemente (71, 72) umfaßt und die zusätzliche Induktivität (75), die nicht als Heizelement zur Abgabe von Wärme an das Medium ausgebildet ist, in der Steuerschaltung angeordnet ist.Electric heater after Claim 3 or 4 , characterized in that the electrical heating device comprises a control circuit for driving the heating elements (71, 72) and the additional inductance (75), which is not designed as a heating element for emitting heat to the medium, is arranged in the control circuit. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PTC-Heizelement (71) und die als Heizelement ausgebildete Induktivität (72) jeweils die gleichen äußeren Abmessungen aufweisen.Electric heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the PTC heating element (71) and formed as a heating element inductance (72) each have the same outer dimensions. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (71, 72) in der elektrischen Heizvorrichtung in Form eines Heizregisters angeordnet sind, wobei das Heizregister eine Mehrzahl von Positionen zur Anordnung von Heizelementen aufweist und jede der Postionen alternativ die Anordnung eines PTC-Heizelements (71) oder eines als Induktivität ausgebildeten Heizelements (72) erlaubt.Electric heater after Claim 6 characterized in that the heating elements (71, 72) are arranged in the electrical heating device in the form of a heating register, the heating register having a plurality of positions for arranging heating elements, and each of the positions alternatively comprising the arrangement of a PTC heating element (71) or a designed as an inductance heating element (72) allowed. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung jeder Heizstufe (70a, 70b, 70c) über eine PWM-Ansteuerung einstellbar ist und die PWM-Ansteuerung der einzelnen Heizstufen (70a, 70b, 70c) mit zeitlichem Versatz der PWM-Taktung zwischen den Heizstufen erfolgt.Electric heating device according to one of Claims 2 to 7 , characterized in that the heating power of each heating stage (70a, 70b, 70c) via a PWM control is adjustable and the PWM control of the individual heating stages (70a, 70b, 70c) takes place with a time offset of the PWM clocking between the heating stages. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheizleistung der elektrischen Heizvorrichtung zu jeweils gleichen Teilen von den PTC-Heizelementen (71) und den als Induktivität ausgebildeten Heizelementen (72) erbracht wird.Electric heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the total heating power of the electric heating device is provided in equal parts by the PTC heating elements (71) and the heating elements (72) designed as an inductance. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtheizleistung der elektrischen Heizvorrichtung zu mindestens 70 Prozent von den PTC-Heizelementen (71) erbracht wird.Electric heating device according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the total heating power of the electric heater is at least 70 percent provided by the PTC heating elements (71). Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizvorrichtung für eine Betriebsspannung im automobiltechnischen Hochvoltbereich ausgebildet ist.Electric heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical heating device is designed for an operating voltage in automotive high voltage range. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizvorrichtung zur Erhitzung einer Flüssigkeit als zu erwärmendes Medium ausgebildet ist.Electric heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical heating device for heating a liquid is designed as a medium to be heated. Elektrische Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizvorrichtung zur Erhitzung von Luft als zu erwärmendem Medium ausgebildet ist.Electric heating device according to one of Claims 1 to 11 , characterized in that the electrical heating device is designed for heating air as medium to be heated. Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Motor vehicle with an electric heater according to one of the preceding claims.
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