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Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung zur Temperierung von Fluiden gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Heizvorrichtung.
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Es ist bekannt, elektrische Heizungen für Flüssigkeiten derart aufzubauen, dass in einem mit Anschlussstutzen versehenem fluiddichten Gehäuse aus Kunststoff, Aluminiumdruckguss oder Edelstahl, Heizelemente eingebracht werden, welche zur Erwärmung der Flüssigkeiten dienen. Das Gehäuse für das Fluid ist hierbei meistens getrennt von dem Gehäuse der Steuerelektronik und besteht aus einer größeren Anzahl von Teilen. Die Abdichtung der Gehäuse erfolgt durch Schalen und Deckel welche über Dichtungen zueinander abgedichtet werden. Die Auswahl der Heiztechnologie, bei Berücksichtigung des Sicherheitsaspekts, trägt wesentlich zum Umfang der Kosten bei. Als Heiztechnologie werden hierbei PTC Elemente, Heizleiterlegierungen oder Dickschichtelemente verwendet. Zur guten thermischen Anbindung der Heizelemente an den Fluidraum werden diese durch Federn oder Keile angepresst. So sind beispielsweise elektrische Widerstände in Form von keramischen Halbleitern (PTC) oder Dickschichtelemente sehr aufwändig in der Herstellung, wohin gehend Heizleiter aus Flachdraht kostengünstig und seit vielen Jahren erprobt sind. Demgegenüber steht jedoch zusätzlicher Aufwand zur Gewährleistung des Sicherheitskonzepts, wie einer Realisierung eines zweiten Abschaltpfades bei Versagen der Leistungstransistoren. Die Fläche zur Wärmeübertragung von den Heizelementen zum Medium ist in den vorhandenen Konstruktionen sehr oft gering, was zu einer hohen Oberflächenbelastung der Heizungen und einer reduzierten Robustheit führt. Darüber hinaus werden die Heizelemente sequenziell umströmt, was im Gegensatz zu einer parallelen Umströmung zu hohen Druckverlusten führen kann. Bei in Gusskonstruktionen eingebauten Heizelementen geht ein Teil der elektrischen Leistung als Verlustleistung über die Außenwände an die Außenluft.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizvorrichtung zur Temperierung von Fluiden zu schaffen, die bei einfacher Herstellbarkeit eine verbesserte Wärmeübertragung auf das Fluid ermöglicht. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die Herstellung einer derartigen Heizvorrichtung mit geringem Montageaufwand ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Heizvorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 13 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß hat die elektrische Heizvorrichtung ein Gehäuse, an dem Einlass- und Auslassöffnungen für das Fluid ausgebildet sind und in dem zumindest ein Heizelement, vorzugsweise ein Heizelementstapel, aufgenommen ist. Das Heizelement hat ein wärmezeugendes Element, das in einem Hohlprofil, vorzugsweise einem Flachprofil aufgenommen ist, an dessen Umfangswand, vorzugsweise als Wellrippen ausgebildete, Radiatoren zu Vergrößerung der wärmeaustauschenden Fläche vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist das Gehäuse mit dem zumindest einen Heizelement stoffschlüssig, vorzugsweise durch Löten, verbunden. Anstelle von Wellrippen können auch andere Radiatoren, beispielsweise durch mehrere Bleche gebildete Wärmeleitelemente oder dergleichen verwendet werden.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vor einer Montage der Heizvorrichtung Fügeflächen des Gehäuses und des Heizelementes mit Lot beschichtet, so dass nach einer Vormontage durch Zusammenstecken der einzelnen Bauelemente eine stoffschlüssige Verbindung in einfacher Weise dadurch hergestellt werden kann, dass die vormontierte Baugruppe mit dem mehrteiligen Gehäuse und dem zumindest einen Heizelement in einen Ofen eingebracht wird, in dem das Lot aufgeschmolzen wird. Nach dem Abkühlen sind die einzelnen Bauelemente im Bereich der Fügeflächen, vorzugsweise fluiddicht und, mit hoher Festigkeit verbunden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das zumindest eine Heizelement mit Endabschnitten durch Durchführungen des Gehäuses hindurchgeführt, wobei die Verlötung oder ein Stoffschluss im Durchführungsbereich dichtend ist.
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Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel hat das Gehäuse einen etwa U-förmigen Mantel, der drei Großflächen des Gehäuses ausbildet, wobei das zumindest eine Heizelement sich zwischen zwei Parallelwandungen des U-Mantels erstreckt und diese durchsetzt.
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Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel wird es bevorzugt, wenn der Mantel dichtend in ein Außengehäuse eingesetzt ist, so dass der Mantel und das Außengehäuse gemeinsam das Gehäuse und einen Elektronikraum zur Aufnahme einer Leistungselektronik bilden, über die das zumindest eine Heizelement ansteuerbar ist. Das Außengehäuse kann einstückig, beispielsweise durch Tiefziehen oder aus mehreren Abschnitten/Blechteilen ausgebildet sein.
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Selbstverständlich kann anstelle des oben beschriebenen U-förmigen Mantels das Gehäuse auch abschnittsweise durch eine andere Mantelabwicklung ausgebildet sein. Auch die Ausbildung des Gehäuses oder des Außengehäuses durch mehr als zwei Abschnitte ist möglich.
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Vorteilhafter Weise sind an dem Außengehäuse Zulauf- und Ablaufstutzen sowie zumindest ein Stecker, vorzugsweise ein Hochvoltstecker und/oder ein Niedervoltstecker ausgebildet.
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Bei einer Variante der Erfindung ist am Gehäuse, vorzugsweise am Mantel eine Positionsfläche ausgebildet, an der zu kühlende Bauelemente einer Leistungselektronik, vorzugsweise Halbleiterbauteile anliegen.
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Bei einem besonders einfach aufgebauten Ausführungsbeispiel hat das zumindest eine Heizelement einen Heizleiter, der auf einen Träger/Kern aus einem isolierenden Material, vorzugsweise aus Mikanit, aufgewickelt ist und der von einer Isolation umgeben und in das Hohlprofil eingesetzt ist.
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Zur Verbesserung der Abschirmung können das Gehäuse und das Außengehäuse aus einem metallischen Werkstoff hergestellt sein.
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Wie eingangs erläutert, werden vorzugsweise vor der Montage das zumindest eine Heizelement und/oder das Außengehäuse und/oder Durchführungen des Gehäuses im Bereich von Fügeflächen mit Lot bedeckt.
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Zur weiter verbesserten Kühlung kann am Außengehäuse, vorzugsweise in einem Deckel des Außengehäuses ein Bypasskanal ausgebildet werden.
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Zur Verbesserung der Betriebssicherheit kann die Leistungselektronik mit einer Schmelzsicherung ausgeführt sein.
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Beim konkreten Ausführungsbeispiel ist die Leistungselektronik auf einer Platine angeordnet, die vorzugsweise auch die Schmelzsicherung trägt.
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Vorteilhafter Weise ist das Heizelement, vorzugsweise der Heizelementstapel schräg in den Mantel oder das sonstige innere Gehäuseteil eingesetzt, so dass ein sich vom Zulauf des Außengehäuses weg verjüngender Einlassraum und ein zum Ablauf des Außengehäuses hin vergrößernder Auslassraum ausbildet, wobei die Durch- bzw. Umströmung des zumindest einen Heizelementes quer zur Längserstreckung des Einlass- bzw. Auslassraums erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer derartigen Heizvorrichtung weist die folgenden Schritte auf:
- - Beschichten von Fügeflächen des Mantels und/oder des zumindest einen Heizelementes sowie der Radiatoren sowie des Heizelementes und/oder des Außengehäuse und des Gehäuses mit Lot oder einem anderen, einen Stoffschluss ermöglichenden Material;
- - Vormontieren der beschichteten Bauelemente;
- - Einbringen der vormontieren Einheit in einen Ofen, um das Lot bzw. das Material aufzuschmelzen und
- - Abkühlen des Lots bzw. Materials im Bereich der Fügeflächen, so dass eine vorzugsweise fluiddichte, stoffschlüssige Verbindung ausgebildet wird.
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Ein Aspekt der Erfindung ist die Realisierung eines fluiddichten Gehäuses mit integrierten Heizelementen und großer Wärmetauscher Fläche (Radiatoren) bei gleichzeitiger Aufnahme der Steuerelektronik welches, nach dem Lötprozess, eine Einheit bildet.
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Die einzelnen Elemente der Einheit bestehen aus lotplattierten Aluminiumblechen, Radiatoren und lotplattierten Flachrohren welche gemeinsam zu einer dichten Einheit verlötet werden.
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Als Heiztechnologie werden Heizleiter verwendet, welche während des Lötprozesses bereits in der Einheit enthalten sind. Die Heizleiter sind hierbei auf einen Kern aus gepressten Glimmerplatten aufgewickelt und nach außen hin über Glimmerplatten elektrisch zum Flachrohr isoliert. Alternativ zu den Glimmerplatten sind auch Platten aus Aluminiumoxid vorstellbar. Die Kontaktierung der Heizwendel erfolgt entweder auf beiden Stirnseiten des Heizelements oder über eine innere Rückführung so dass nur von einer Seite kontaktiert werden muss. Die Heizelemente werden in die Flachrohre eingeschoben und von außen verpresst.
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Die Radiatoren bieten eine große Wärmetauscher Fläche und sind für eine perfekte Wärmeabgabe direkt mit den Flachrohren verlötet. Aufgrund der großen Querschnittfläche durch die Radiatoren und der parallelen Umströmung der Heizelemente ist der Druckverlust äußerst gering. Die Radiatoren sind hierbei entweder flach gewellt oder in Strömungsrichtung perforiert und unterbrochen.
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Der Heizer ist in der Leistung skalierbar, indem die Anzahl der Flachrohre mit eingebauten Heizelementen variiert wird.
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Die Quaderform des Außengehäuses welches aus sechs Seiten besteht wird im Wesentlichen aus zwei abgewickelten bzw. tiefgezogenen Aluminiumblechen realisiert. Das tiefgezogene Gehäuseelement übernimmt hierbei eine Reihe von Funktionen. Es bildet drei Seiten des fluiddichten Gehäuses.
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Das Außengehäuse bildet die Aufnahme der Leistungselektronik und dient zur Befestigung der elektrischen Anschlüsse und Stecker. Die Außenflächen bieten die Möglichkeiten Halte bzw. Befestigungselemente direkt mit anzulöten. Aufgrund des metallischen Gehäuses ist der Schutz bzgl. elektromagnetischer Aus und Einstrahlung zur Leistungselektronik hin gewährleistet.
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Das innere abgewickelte Blech welches ebenso drei Seiten des fluiddichten Gehäuses bildet hat auch eine Reihe weitere Funktionen.
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Es nimmt die Flachrohre und Radiatoren auf und hält diese in Position. Es bildet, auf der zur Elektronik hin gewandten Seite, Positionsflächen zur Wärme Ableitung der Leistungstransistoren. Unterstützend wirken hier tiefgezogene Kanäle welche einen Flüssigkeitsbypass bilden und zur optimalen Entwärmung der Leistungstransistoren beitragen.
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Über tiefgezogenen Senken werden Möglichkeiten geschaffen Temperatursensoren im Einlassbereich und Auslassbereich der Flüssigkeit aufzunehmen. Optimaler Weise liegen diese auch auf der zur Elektronik hin zugewandten Seite. Temperatursensoren können dadurch direkt mit auf die Leiterplatte platziert werden.
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Die U-Form des Elektronikbauraumes gewährleistet folgende Vorteile:
- einfachere Trennung der Low-Volt Seite zur Hoch-Volt Seite mit LV-Stecker und HV-Stecker was zu einer effizienten Gestaltung und guten Ausnutzung des Leiterplattenlayouts führt.
- Bereiche für die Platzierung von niederen Bauteilen als auch Bereiche für hohe Bauteile wie Spulen oder Drosseln. Möglichkeit einer einseitigen Leiterplattenbestückung.
- Keine verdeckte Montage der Leiterplatte, da Kontaktierungen zu den elektrischen Verbindungen von der Rückseite überprüft werden können. Aufnahme eines Verdrahtungsgitters um die Heizelemente mit der Steuerelektronik zu verbinden. Der Wärmeeintrag von den Heizelementen zur Elektronik wird dadurch minimiert, indem die Heizelemente nicht direkt mit der Leistungselektronik verbunden sind, sondern über das Verdrahtungsgitter verläuft.
- Aufnahme einer Temperatur oder Schmelzsicherung in einem Schenkel des U-Bauraums. Aufnahme von HV und LV Steckverbinder über den U-Schenkeln also außerhalb des Gehäuses. Aufgrund der großen Fläche ist reichlich Platz zur Positionierung unterschiedlicher Stecker Geometrien möglich was zu einer großen Modularität beiträgt.
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Vorteil der Erfindung
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- - Hohe Leistung bei kleinem Package/Gewicht da, das Konzept eine große Wärmeübertrager Fläche bei äußerst kompakter Bauweise zulässt;
- - geringer Druckverlust, da die Heizelemente parallel und nicht sequenziell angeströmt werden;
- - Wenig Bauteile, da die vorhandenen Bauteile viele Funktionen übernehmen
- - hoher Wirkungsgrad, da die Heizelemente direkt im zu erwärmenden Medium liegen;
- - Leistung skalierbar über Variation der Heizelementanzahl;
- - Modular in Bezug auf elektrische und hydraulische Anschlüsse;
- - Einfache Kontaktierung, da elektrische und hydraulische Anschlüsse auf einer Seite liegen;
- - Aufgrund von Metallgehäuse keine Gefahr bzgl. elektromagnetischer Ein und Ausstrahlung;
- - Dichtheit der Bauteile zueinander über Lotbeschichtung der Gehäuseteile und Lötprozess;
- - keine verdeckte Montage der Einzelteile, Fügeschritte können überprüft werden;
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Im Folgenden werden anhand schematischer Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung;
- 2 eine dreidimensionale Darstellung der Heizvorrichtung gemäß 1;
- 3 die Heizvorrichtung gemäß 2 mit einem abgenommenen Deckel;
- 4 eine Explosionsdarstellung der Heizvorrichtung gemäß den 1 bis 3;
- 5, 6 und 7 den Grundaufbau eines Heizelementes der Heizvorrichtung gemäß den vorhergehenden Figuren;
- 8 einen Stapel von Heizelementen;
- 9 einen U-Mantel eines Gehäuses der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung, in den der Heizelementstapel gemäß 8 eingesetzt ist;
- 10 eine Teildarstellung der Heizvorrichtung, in der ein Außengehäuse nicht dargestellt ist und
- 11 eine Teildarstellung der Anordnung gemäß 10 in einer anderen Perspektive.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Heizvorrichtung 1 zur Temperierung, insbesondere Beheizung von Fluiden. Die Heizvorrichtung 1 hat ein mehrteiliges Gehäuse 2, in dem ein Stapel 30 von Heizelementen 4 abgedichtet aufgenommen ist. Wie im Folgenden noch näher erläutert, ist ein Teil des Gehäuses 2 durch ein Außengehäuse 6 ausgebildet, das seinerseits mit dem Gehäuse 2 einen Elektronikraum 8 zur Aufnahme einer Leistungselektronik 10 bildet, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Platine ausgeführt ist. Der Elektronikraum 8 ist gegenüber dem Innenraum des Gehäuses 2 abgedichtet und nach außen hin durch einen Deckel 12 verschlossen.
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An dem Außengehäuse 6 sind des Weiteren ein Zulaufstutzen 14 und ein Ablaufstutzen 16 für das Fluid ausgebildet, das über die Heizelemente 4 erwärmt werden soll. Da das erwärmte Fluid ein größeres Volumen einnimmt, ist entsprechend der Ablaufstutzen 16 mit einem größeren Durchmesser als der Zulaufstutzen 14 ausgeführt.
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Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung 1 ist als Hochvoltheizer ausgeführt, wobei am Außengehäuse 6 ein Hochvoltstecker 18 und ein Niedervoltstecker 20 ausgebildet sind, über die die Stromversorgung und Steuerung der Heizelemente 4 erfolgt.
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Die Kontaktierung der Heizelemente 4 erfolgt über ein Verdrahtungsgitter 22, das einerseits mit aus dem Gehäuse 2 auskragenden Kontakten der Heizelemente 4 und mit der Leistungselektronik 10 kontaktiert ist.
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Auf weitere Einzelheiten der Schnittdarstellungen gemäß 1 wird in der Folge näher eingegangen.
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2 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der Heizvorrichtung 1 von der Unterseite gemäß 1. Man erkennt in dieser Darstellung den Deckel 12, der den Elektronikraum 8 nach außen hin abdeckt und in dem ein Bypasskanal 24 ausgebildet ist, über den Fluid zur Kühlung an sich erwärmenden Bauteilen der Leistungselektronik 10, beispielsweise Leistungshalbleitern, vorbeigeführt werden kann. Sichtbar in dieser Darstellung sind des Weiteren auch drei Vertiefungen, von denen lediglich eine mit dem Bezugszeichen 48 versehen ist, die beispielsweise zur Aufnahme von Sensoren, vorzugsweise von Temperatursensoren vorgesehen sind, über die eine Überhitzung der Heizvorrichtung 1, insbesondere der Elektronikbauteile erfassbar ist.
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3 zeigt die Anordnung gemäß 2 bei abgenommenem Deckel 12. Das Außengehäuse 6 ist somit geöffnet, so dass der Elektronikraum 8 zugänglich ist. Die Leistungselektronik 10 gemäß 1 ist ebenfalls abgenommen. In der Darstellung gemäß 3 erkennt man die Kontaktbereiche des Verdrahtungsgitters 22, die sich zur abgenommenen Leistungselektronik 10 hin erstrecken. Das eingangs beschriebene Gehäuse 2 zur Aufnahme der Heizelemente ist gegenüber dem Elektronikraum 8 abgedichtet und besteht gemäß 3 im Prinzip aus einem etwa U-förmigen Mantel 28, der sich mit Seitenflächen 29, 31 sowie einer Bodenfläche 33 (siehe 1) zu dem geschlossenen, etwa quaderförmigen Gehäuse 2 ergänzen. Der Mantel 28 ist demnach dichtend in das Außengehäuse 8 eingesetzt.
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4 zeigt eine Explosionsdarstellung wesentlicher Bauteile der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung 1. Im oberen Bereich der 4 sind das Außengehäuse 6 mit den Aufnahmen/Flanschen für den Hochvoltstecker 18, den Zulaufstutzen 14, den Ablaufstutzen 16 und den Niedervoltstecker 20 ausgebildet. Im mittleren Bereich ist der Stapel 30 bestehend aus sechs Heizelementen 4 dargestellt, deren Aufbau im Folgenden noch näher erläutert wird. Wie eingangs ausgeführt, erfolgt die Kontaktierung der Heizelemente 4 über zumindest ein Verdrahtungsgitter 22, das entsprechend der Geometrie des Stapels 30 und der Leistungselektronik 10 ausgebildet ist. Wie vorstehend erläutert, ist die Leistungselektronik 10 auf einer oder mehreren Platinen 32 ausgebildet. Beispielhaft dargestellt sind drei Leistungstransistoren, von denen lediglich einer mit einem Bezugszeichen 34 versehen ist. Diese Leistungshalbleiter 34 liegen an einer auch in 4 gut sichtbaren, in den Elektronikraum 8 hineinragenden Positionsfläche 36 an, die durch eine Sicke des U-förmig gebogenen Mantels 28 ausgebildet sind. In diesem sind wie in 4 dargestellt zwei sich zum Stapel 30 hin erstreckende Dome 26 ausgebildet, die beispielsweise Temperatursensoren oder sonstige Sensoren aufnehmen können.
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Der Mantel 28 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel mit zwei parallelen Wandungen 38, 40 ausgebildet, die sozusagen die beiden U-Schenkel ausbilden, die durch eine Bodenwandung 42 miteinander verbunden sind. Die Wandungen 38, 40 und die Bodenwandung 42 mit der Positionsfläche 36 bilden somit drei Seitenflächen des Gehäuses 2 aus. Die drei anderen Seitenflächen werden entsprechend - wie vorstehend ausgeführt - durch das Außengehäuse 6 ausgebildet.
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In den beiden Wandungen 38, 40 sind jeweils an die Geometrie der Heizelemente 4 angepasste, beispielsweise durch Stanzprägen hergestellte Durchführungen 44 ausgebildet, wobei jedem Heizelement 4 eine passgenau gefertigte Durchführung zugeordnet ist, so dass entsprechend die freien Endabschnitte der Heizelemente 4 durch die Durchführungen hindurch geführt sind und in den Elektronikraum 8 hinein auskragen. Wie in 4 weiterhin angedeutet, ist die Leistungselektronik 10 mit einer Schmelzsicherung 46 versehen, die in der Folge ebenfalls noch näher erläutert wird.
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In 4 unten ist der den Elektronikraum 8 abdeckende Deckel 12 mit dem Bypasskanal 24 und drei Einprägungen 48 zu sehen, die - wie in 1 sichtbar, entsprechend der Positionierung der Leistungshalbleiter 34 ausgebildet sind und diese beispielsweise in Richtung auf die Positionsfläche 36 beaufschlagen, oder zur Aufnahme von Sensoren oder dergleichen dienen.
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In 4 unten ist schließlich ein Befestigungsrahmen 50 dargestellt, über den der Deckel 12 mit dem Außengehäuse 6 verbunden wird. Die Herausführung der Endabschnitte der Heizelemente 4 aus dem U-förmigen Mantel 28 ist sehr anschaulich in 1 dargestellt.
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5 zeigt das eigentliche wärmeerzeugende Element des Heizelementes 4, wobei ein aus Flachdraht gebildeter Heizleiter 52 auf einen plattenförmigen Kern/Träger 54 aufgewickelt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel kragen zwei Wicklungsanschlüsse 56, 58 aus entgegengesetzten Schmalseiten des Trägers 54 aus. Prinzipiell ist es auch möglich, ein Wicklungsende innenliegend zurückzuführen, so dass der Anschluss der Wicklung an einer Seite des Trägers 54 erfolgt. Dieser ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus Mikanit, d. h. aus gepressten Glimmerplatten gefertigt.
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Diese Wicklung wird dann gemäß 6 umlaufend von einer Isolierung 60 überdeckt und in ein Flachrohr 62 eingeschoben und anschließend von außen verpresst.
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Auf diesen Presskörper, bestehend aus dem Flachrohr 62, der Isolierung 60, der Heizleiter-Wicklung 52 und dem Träger 54 werden dann beidseitig Radiatoren 64, 66 (siehe 7) aufgebracht. Beim dargestellte Ausführungsbeispiel sind die Radiatoren 64, 66 aus wellenförmigen Aluminiumblechen hergestellt.
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Die Verbindung der Radiatoren 64, 66 mit dem Flachrohr 62 erfolgt vorzugsweise durch Löten - hierauf wird in der Folge noch näher eingegangen.
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Aus mehreren dieser Heizelemente 4, im vorliegenden Fall aus sechs Heizelementen 4 wird dann gemäß 8 der Stapel 30 ausgebildet, in dem die einzelnen Heizelemente 4 parallel zueinander angeordnet sind. Wie insbesondere der Darstellung gemäß 8 entnehmbar, sind die innenliegenden Radiatoren 64, 66 jeweils zwei Heizelementen 4 zugeordnet, so dass bei einem Stapel 30 mit sechs Heizelementen 4 sieben Radiatoren 64, 66 vorgesehen sind. Die Kontaktbereiche - hier auch Fügeflächen genannt - zwischen den Radiatoren 64, 66 und den Flachrohren 62 können lotplattiert sein. D. h., in dem Bereich dieser Fügeflächen sind die aneinander anliegenden Bauelemente mit einem Lotmittel beschichtet.
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Wie in der Darstellung gemäß 9 dargestellt, werden die einzelnen Heizelemente 4 der Heizvorrichtung 1 mit ihren Endabschnitten 68 durch die Durchführungen 44 hindurchgeführt und dann ein- oder beidseitig mit einem Verdrahtungsgitter 22 verbunden. Auch die Kontakt- oder Fügeflächen im Bereich der Durchführung 44, die von den Endabschnitten 68 der Heizelemente 4 durchsetzt sind, sind lotplattiert. Durch die Steckverbindung zwischen dem Mantel 28 und dem Stapel 30 wird jedoch bereits ein relativ stabiles transportfähiges Vorprodukt geschaffen.
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Prinzipiell ist es auch möglich, das Verdrahtungsgitter 22 mit Lot zu Beschichten und beim Vorprodukt auf die Wicklungsanschlüsse 56, 58 aufzusetzen, die dann ebenfalls mit Lot beschichtet sind.
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Dieses zusammen gesteckte Vorprodukt wird dann in das Außengehäuse 6 eingesetzt, wobei hier ebenfalls die Fügeflächen, d. h., beispielsweise durch eine Aufbördelung ausgebildete umlaufende Stirnflächen 70 des Mantels 28 und die entsprechenden Kontakt-/Fügeflächen an den Wandungen 29, 31 und der Bodenwandung 33 des Außengehäuses 6 ebenfalls lotplattiert sind. Der Mantel 28 ist dabei so exakt in das Außengehäuse eingefügt, so dass die Relativposition zunächst nur durch Stecken gesichert ist.
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Das Vorprodukt mit dem Außengehäuse 6, dem Mantel 28 und den darin aufgenommenen Heizelementen 4 sowie ggf. dem oder den angesetzten Verdrahtungsgitter(n) 22 wird dann in einen Ofen (nicht dargestellt) eingebracht, über den das Vorprodukt auf die Schmelztemperatur des Lots erwärmt wird, so dass nach dem Aufschmelzen und Abkühlen des Lots im Bereich der Fügefläche eine fluiddichte, stoffschlüssige Verbindung vorliegt, so dass das Gehäuse 2 gegenüber dem Elektronikraum 8 zuverlässig abgedichtet ist.
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Wie man in 9 erkennen kann, ist der Stapel 30 nicht parallel zur Längserstreckung des Mantels 28, sondern schräg zu dieser Längserstreckung angeordnet. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Abstand D des Stapels 30 in der Darstellung gemäß 9 im Bereich der Wandung 38 größer ist als der Abstand d im Bereich der Wandung 40 - mit anderen Worten gesagt, der Stapel 30 ist im Bereich der Wandung 38 etwas nach rechts hin und im Bereich der Wandung 40 nach links hin (9) versetzt.
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Dies erkennt man auch deutlich in 10, die die Anordnung gemäß 9 mit der Platine 32, dem Leistungshalbleiter 34, der Schmelzsicherung 46, dem Hochvoltstecker 8, dem Niedervoltstecker 20, dem Zulaufstutzen 14 und dem Ablaufstutzen 16 zeigt.
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Noch deutlicher wird dies aus 11 in der man die Schrägstellung des Stapels 30 besonders gut sieht. Demgemäß kragen die beiden Dome 26 jeweils in den durch die Schrägstellung gebildeten Raum ein, so dass die Temperatur im Zulauf und im Ablauf exakt bestimmbar ist. Der Zulaufstutzen 14 mündet benachbart zur Wandung 40 des Mantels 28 in dem breiteren Teil (Ansicht nach 11) eines Einlassraums 72, der nach außen hin durch das gestrichelt angedeutete Außengehäuse 6 begrenzt ist. Dieser Einlassraumraum 72 verjüngt sich in der Ansicht gemäß 11 keilförmig nach links hin zur Wandung 38. In entsprechender Weise mündet der Ablaufstutzen 16 in einen Auslassraum 74, der entgegengesetzt keilförmig zum Einlassraum 72 (Ansicht 11) ausgebildet ist. D. h., der größere Abstand D befindet sich dann im Bereich der Wandung 38.
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Das Fluid tritt dementsprechend durch den Zulaufstutzen 14 in den Einlassraum 72 ein und strömt dann entlang der Öffnungsquerschnitte des Heizelement-Stapels in den Einlassraum 30 ein. Das Fluid tritt dann in den Heizelement-Stapel 30 ein, wobei der Fluidvolumenstrom in dem Einlassraum 72 aufgrund der Vielzahl von Einmündungen in der Ansicht gemäß 11 nach links hin abnimmt. Nach der Durchströmung des Heizelement-Stapels tritt das Fluid in den Auslassraum 74 ein und strömt dann nach links (Ansicht nach 11) hin zum Auslassstutzen 16, wobei der Fluidvolumenstrom im Bereich des größeren Durchmessers D wiederum maximal ist. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme ist somit die Geometrie des Einlass- und des Auslassraumes 72, 74 in optimaler Weise an den tatsächlich vorhandenen Volumenstrom angepasst, so dass die Hydrodynamik und damit auch die Thermodynamik der Heizvorrichtung 1 weiter optimiert ist.
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In 11 rechts oben ist die Schmelzsicherung 46 dargestellt. Diese hat einen Federkontakt 76 der mittels eines Schmelzkörpers 78 in einer Grundposition gehalten wird. Beim Aufschmelzen des Schmelzkörpers 78 aufgrund einer Temperaturüberhöhung wird über den Federkontakt 76 die Stromversorgung unterbrochen, so dass eine Überhitzung mit einer einem damit einhergehenden Durchbrennen der Heizleiter 52 zuverlässig verhindert werden kann. Der Schmelzkörper 78 kann aus Lot, Kupfer oder einem sonstigen, bei der Ansprechtemperatur der Schmelzsicherung aufschmelzenden Material ausgebildet sein.
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Offenbart ist eine Heizvorrichtung, bei der wesentliche Bauteile, wie beispielsweise Heizelemente und diese aufnehmende Gehäuseteile, lotbeschichtet sind, so dass nach einem Lötprozess eine dichte Einheit gebildet ist. Offenbart ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizvorrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizvorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 4
- Heizelement
- 6
- Außengehäuse
- 8
- Elektronikraum
- 10
- Leistungselektronik
- 12
- Deckel
- 14
- Zulaufstutzen
- 16
- Ablaufstutzen
- 18
- Hochvoltstecker
- 20
- Niedervoltstecker
- 22
- Verdrahtungsgitter
- 24
- Bypasskanal
- 26
- Dom
- 28
- Mantel
- 29
- Seitenfläche
- 30
- Stapel
- 31
- Seitenfläche
- 32
- Platine
- 33
- Bodenfläche
- 34
- Leistungshalbleiter
- 36
- Positionsfläche
- 38
- Wandung
- 40
- Wandung
- 42
- Bodenwandung
- 44
- Durchführung
- 46
- Schmelzsicherung
- 48
- Einprägung
- 50
- Befestigungsrahmen
- 52
- Heizleiter
- 54
- Träger
- 56
- Wicklungsanschluss
- 58
- Wicklungsanschluss
- 60
- Isolierung
- 62
- Flachrohr
- 64
- Radiator
- 66
- Radiator
- 68
- Endabschnitt
- 70
- Stirnfläche
- 72
- Einlassraum
- 74
- Auslassraum
- 76
- Federkontakt
- 78
- Schmelzkörper
