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. 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.
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
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:
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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 bis3d 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 bis7c schematische Darstellungen beispielhafter Reihenschaltungen einer elektrischen Heizvorrichtung mit einer und einer Mehrzahl von Heizstufen zeigen.
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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 to3d 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 to7c 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
Jedes Kontaktblech
Als Isolierung gegen Hauptseitenflächen des Flachrohres
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das in
Eine beispielhafte Ausgestaltung für ein wärmeerzeugendes Element mit einem Heizdraht, das als Induktivität ausgebildet ist, ist in den
Auf den Träger
Die Länge des Heizleiters
In dem in
In
Der Träger
Die vorliegende Erfindung ist keinesfalls auf das in
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
In dem in
Die beiden in
Wie zuvor ausgeführt sind die Heizelemente
Die Darstellung in
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
Auf der linken Seite der in
Die Steuerschaltung übernimmt die Einstellung der von den Heizelementen
Jede Heizstufe (mit mindestens zwei Heizelementen
Bei Heizstufen mit mehr als zwei Heizelementen je Heizstufe, beispielsweise drei oder vier Heizelementen, sind entsprechend mehr der in
Alternativ zu der in
Erfindungsgemäß kann eine beliebige Anzahl von PTC-Heizelementen
Die Heizung kann eine beliebige Anzahl von Heizstufen aufweisen, die jeweils aus einer Reihenschaltung aus PTC-Heizelementen
Zur Anpassung der Höhe der Induktivität kann in der Reihenschaltung einer Heizstufe, falls erforderlich, auch eine zusätzliche Induktivität vorgesehen sein, die nicht als Heizelement
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
Die vorliegende Erfindung ist keinesfalls auf den in
Der in
In dem Gehäuseblock
Eine solche Steuerkammer
Zusätzlich können auf der Steuerplatine
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
Die vorliegende Erfindung ist keinesfalls auf den in
Die elektrische Verschaltung der Heizelemente der elektrischen Heizvorrichtung ist schematisch in den
In
Die elektrische Heizvorrichtung umfaßt im Allgemeinen eine Mehrzahl von Heizstufen
Die Heizleistung jeder der Heizstufen ist durch einen separaten Steuerschalter
Zur Anpassung der Induktivtät jeder der Heizstufen
Die Heizleistung, die von den PTC-Heizelementen
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
In einer alternativen Ausgestaltung erbringen die PTC-Heizelemente
PTC-Heizelemente
Heizungen mit einem Heizleiter weisen einen solchen Selbstschutz hingegen nicht auf. Sind Heizelemente mit einem Heizleiter
Die Schutzwirkung für die Heizleiter-Heizelemente
Damit lassen sich PTC- und Heizdraht-Heizelemente
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.
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