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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Durchlauferhitzer für Flüssigkeiten. Elektrische Durchlauferhitzer können in Kraftfahrzeugen zur Erwärmung von Kühlflüssigkeit verwendet werden, solange die Kühlflüssigkeit in dem betroffenen Kühlkreislauf noch nicht von der Motorabwärme erwärmt wird. Die erwärmte Kühlflüssigkeit kann dann wiederum dazu dienen, ein Fluid in einem Behälter aufzutauen oder aufzuwärmen, indem eine Leitung mit dem erwärmten Kühlwasser durch den Behälter geführt wird.
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Durchlauferhitzer für Kraftfahrzeuge haben in der Regel ein Gehäuse, das einen Flüssigkeitseinlass, einen Flüssigkeitsauslass und einen von zu erwärmender Flüssigkeit durchströmbaren Innenraum aufweist. Bei Durchlauferhitzern, wie sie beispielsweise aus der
US 2016/0069588 A1 oder
DE 10 2011 003 296 A1 bekannt sind, sind PTC-Heizer in diesem Innenraum angeordnet. Derartige Durchlauferhitzer ermöglichen zwar eine sehr gute Ausnutzung der erzeugten Wärme, haben aber einen komplexen Aufbau und sind deshalb aufwändig in der Fertigung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie ein Durchlauferhitzer für Kraftfahrzeuge geschaffen werden kann, der Flüssigkeit mit geringen Wärmeverlusten erhitzt und eine einfache Fertigung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Durchlauferhitzer ist der PTC-Heizer nicht in dem von der zu erwärmenden Flüssigkeit durchströmbaren Innenraum des Gehäuses angeordnet, sondern sitzt außen an dem Gehäuse, was eine wesentlich einfachere Fertigung ermöglicht als dies bei Durchlauferhitzern der Fall ist, die innen in einem durchströmbaren Gehäuse angeordnet sind. Bei einem erfindungsgemäßen Durchlauferhitzer wird die von dem PTC-Heizer erzeugte Wärme deshalb nur auf einer Seite an zu erwärmende Flüssigkeit abgegeben, während die andere Seite des PTC-Heizer Wärme an die Umgebung abgibt, also zu Wärmeverlusten führt. Bei einem erfindungsgemäßen Durchlauferhitzer wird trotz dieser an sich ungünstigen Anordnung eine hervorragende Ausnutzung der erzeugten Wärme erreicht, da der PTC-Heizer thermisch sehr effizient an zu erwärmende Flüssigkeit im Innenraum des Gehäuses ankoppelt.
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Der PTC-Heizer wird dazu mit einem Federelement aus Metall gegen einen Gehäuseboden aus Metall gedrückt. Einerseits hat der PTC-Heizer dadurch guten Wärmekontakt zu dem Gehäuseboden, so dass von seiner dem Gehäuseboden zugewandten Vorderseite Wärme effizient an den Gehäuseboden abgegeben werden kann, andererseits kann über das Federelement Wärme auch von der Rückseite des PTC-Heizers zu dem Gehäuseboden abgeleitet werden. Das Federelement ist bevorzugt aus einer Legierung auf Basis von Aluminium, beispielsweise einer federharten Legierung wie AlMgSi. Aluminiumlegierungen haben einen guten Wärmeleitwert, so dass von dem PTC-Heizer erzeugte Wärme dann vorteilhaft auch über das Federelement abgeführt werden kann. Das Federelement kann beispielsweise als Blechteil oder als Strangpressteil hergestellt sein. Um eine gute Wärmeübertragung von der Rückseite des PTC-Heizers zum Gehäuseboden zu gewährleisten, ist das Federelement bevorzugt als Bügel mit beidseitigen Anlageflächen am Gehäuseboden ausgeführt, insbesondere streifenförmigen Anlageflächen. Äußerst bevorzugt sind die Anlageflächen eines Bügels zusammen mindestens halb so groß, insbesondere mindestens 2/3 so groß wie die dem Federelement zugewandte Oberfläche der damit gehaltenen PTC-Heizwiderstände. Weiterhin hat sich als vorteilhaft für eine gute Wärmeübertragung von der Rückseite des PTC-Heizers zum Gehäuseboden erwiesen, wenn die Breite des PTC-Heizwiderstandes höchstens das 15-fache der Dicke des Bügels beträgt.
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Wichtig für eine gute Wärmeausnutzung ist eine effiziente Ankopplung des Gehäusebodens an zu erwärmende Flüssigkeit. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Gehäuseboden Wärmeabgabevorsprünge, beispielsweise Stifte, aufweist, die in den Gehäuseinnenraum hineinragen und dort von der zu erwärmenden Flüssigkeit umspült werden. Die Stifte sorgen auf diese Weise für eine vorteilhaft große Kontaktfläche zwischen Gehäuseboden und Flüssigkeit. Bevorzugt sind die Wärmeabgabevorsprünge in mehreren nebeneinander angeordneten Reihen angeordnet, etwa als Matrix oder zweidimensionales Gitter. Vorteilhaft sind die Wärmeabgabevorsprünge in wenigstens fünf Reihen angeordnet, die jeweils wenigstens fünf Wärmeabgabevorsprünge enthalten.
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Der Gehäuseboden kann kostengünstig als Fließpressteil hergestellt werden, insbesondere durch ein kombiniertes Vorwärts- und Rückwärtsfließpressen. Die Anzahl der Stifte lässt sich dabei problemlos an die Anforderungen einer konkreten Anwendung anpassen. In der Regel weist der Gehäuseboden wenigstens 10 Stifte auf, bevorzugt wenigstens 20 Stifte. In einer vorteilhaften Ausbildung haben die aufragenden Stifte eine durchschnittliche Höhe von 5mm bis 15mm, insbesondere 5mm bis 10mm, und/oder eine durchschnittliche Querschnittsfläche von 1,5mm2 bis 10mm2 insbesondere 2mm2 bis 6mm2. Beides zusammen ergibt vor allem für Flüssigkeiten eine gute Wärmeübertragung, da sich gezeigt hat, dass lange, dünne Stifte im Gegensatz zur Wärmeabgabe an Luft hier eher nachteilig sind.
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Eine einfache Fertigung wird erfindungsgemäß auch dadurch erzielt, dass das Federelement mit dem Gehäuseboden verrastet oder verstemmt ist. Beim Verrasten oder Verstemmen des Federelements mit dem Gehäuseboden besteht weniger die Gefahr, dass sich Metallspäne bilden, die elektrische Probleme verursachen können, als bei einem Einschieben eines Federblechs in eine Nut. Beispielsweise kann das Federelement an dem Gehäuseboden befestigt werden, indem es auf den Gehäuseboden aufgeklipst wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass das Federelement durch Verstemmen an dem Gehäuseboden befestigt wird, beispielsweise mittels Befestigungsvorrichtungen wie Nieten.
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Die Niete können einstückig mit dem Gehäuseboden ausgebildet sein, was eine einfache Fertigung ermöglicht. Ein Gehäuseboden mit integrierten Stiften oder Vorsprüngen, die als Niete verwendet werden können, kann beispielsweise durch Fließpressen hergestellt werden. Ein Fließpressteil als Gehäuseboden weist somit auf der einen Seite des Gehäusebodens Vorsprünge zum Erhöhen der Kontaktfläche mit dem Fluid ausgebildet auf, auf der anderen Seite Vorsprünge bzw. Niete zum Befestigen von PTC-Heizern an dem Gehäuseboden.
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Die Niete können durch Öffnungen des Federelements, bevorzugt im Bereich der Anlageflächen, gesteckt und dann verstemmt werden, so dass dann das Federelement mit dem Gehäuseteil vernietet ist. Bevorzugt ist das Federelement unter Spannung vernietet.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Federelement und Gehäuseboden noch verpresst sind. Dadurch kann der Anpressdruck noch weiter erhöht und so die Wärmeübertragung weiter verbessert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse eine Haube aufweist, die auf dem Gehäuseboden sitzt und den Flüssigkeitseinlass sowie den Flüssigkeitsauslass bildet. Die Haube ist bevorzugt aus Kunststoff und deshalb kostengünstig, etwa aus Polyamid oder einem wärmestabilisierten Kunststoff, d.h. einem Kunststoff mit wärmestabilisierenden Zusätzen, oder einem hochtemperaturbeständigen Kunststoff wie PPS. Das Gehäuse kann ein zweiteiliges Gehäuse sein, also aus Gehäuseboden und Haube bestehen, oder weitere Teile aufweisen. Zwischen Gehäuseboden und Haube ist bevorzugt eine umlaufende Dichtung angeordnet, beispielsweise ein Dichtring.
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Die Haube hat bevorzugt einen Flansch zur Befestigung an dem Gehäuseboden. Der Flansch kann Öffnungen für Befestigungselemente aufweisen. Beispielsweise kann die Haube an dem metallischen Gehäuseboden befestigt werden, indem als Nieten ausgebildete Vorsprünge des Gehäusebodens durch entsprechende Öffnungen im Flansch der Haube hindurchgreifen. Alternativ können Haube und Gehäuseboden beispielsweise auch durch Schrauben miteinander verbunden werden, die durch Öffnungen des Gehäusebodens und Öffnungen im Flansch der Haube hindurchgreifen.
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Der Gehäuseboden ist bevorzugt aus einer Legierung auf Basis von Aluminium und kann mit einer Kunststoffschicht vor Kontakt mit einer zu beheizenden Flüssigkeit geschützt sein, beispielsweise durch eine Pulverbeschichtung oder eine durch Elektrophorese erzeugte Beschichtung. Alternativ oder zusätzlich kann der Gehäuseboden auch mit einer Eloxalschicht überzogen sein. Eine Eloxalschicht kann vorteilhaft auch dazu genutzt werden, um den Gehäuseboden elektrisch von dem PTC-Heizer zu isolieren. Falls der Gehäuseboden mit einer Kunststoffschicht überzogen ist, weist diese bevorzugt eine Aussparung auf, in der der PTC-Heizer sitzt, damit die Wärmeankopplung des PTC-Heizers an den metallische Gehäuseboden möglichst wenig beeinträchtigt ist.
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Bevorzugt liegen die PTC-Widerstände aber direkt auf dem Gehäuseboden auf. Dies ist insbesondere dann sehr vorteilhaft, wenn der Gehäuseboden ein Fließpressteil ist. In diesem Fall ist die Oberfläche sehr eben und es wird auch ohne Ausgleichselement eine sehr gute Wärmeübertragung vom PTC-Widerstand auf den Gehäuseboden erzielt.
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Weiterhin kann der Gehäuseboden teilweise oder vollständig mit einer Lackschicht überzogen sein.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass an dem Gehäuseboden eine Abdeckung befestigt ist, welche den PTC-Heizer bedeckt. Auf diese Weise kann der PTC-Heizer thermisch und elektrisch von der Umgebung isoliert werden. Dadurch lässt sich die Effizienz des Durchlauferhitzers noch weiter steigern und offene spannungsführende Teile an der Außenseite verhindern.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Haube in den Innenraum hineinragende Trennwände aufweist, die den Strömungspfad von dem Flüssigkeitseinlass zu dem Flüssigkeitsauslass definieren. Die Trennwände können Umlenkeinrichtungen oder Trennstege bilden, die die Strömung in ihrer Richtung beeinflussen und lenken. Dadurch können labyrinthartige Strömungswege hergestellt sein, die noch effektiver eine Wärmeübertagung ermöglichen. Äußerst bevorzugt reichen dabei die Umlenkeinrichtungen oder Trennstege bis an den Gehäuseboden. Derartige Umlenkeinrichtungen oder Trennstege können beispielsweise an einer Innenfläche der Haube angebracht sein.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der PTC-Heizer einen Kunststoffrahmen aufweist, der den wenigstens eines PTC-Heizwiderstand und das wenigstens eine Kontaktelement hält. Bevorzugt weist der Kunststoffrahmen Zapfen auf, die durch Öffnungen des Kontaktelements hindurch ragen. Auf diese Weise kann der Kunststoffrahmen ein Kontaktelement, insbesondere ein Kontaktelement in Form eines Kontaktblechs, fixieren. Der Kunststoffrahmen kann den PTC-Heizwiderstand bzw. die PTC-Heizwiderstände umgeben und so halten. Bevorzugt hält er darüber hinaus auch eine auf dem Kontaktblech aufliegende Isolierschicht, beispielsweise eine Keramikplatte. An dem Gehäuseboden kann der PTC-Heizer fixiert, insbesondere klemmend fixiert werden. Beispielsweise kann der Kunststoffrahmen Durchbrüche oder Vertiefungen aufweisen, in welche die Vorsprünge eingreifen. Bevorzugt weist der Gehäuseboden aber Vorsprünge, etwa in Form von Zapfen auf, gegen die Arme des Kunststoffrahmens federnd drücken. Im Gegensatz zu einfachen Durchbrüchen im Kunststoffrahmen, die die Vorsprünge durchgreifen, ist diese Befestigung weniger anfällig für Probleme durch Fertigungstoleranzen. Außerdem kann der PTC-Heizer bei der Herstellung des Durchlauferhitzers so schon an dem Gehäuseboden fixiert werden, bevor das den PTC-Heizer bedeckende Federelement an dem Gehäuseboden verrastet oder verstemmt wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind darin mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Durchlauferhitzers,
- 2 eine weitere Ansicht des Durchlauferhitzers,
- 3 ein Ausschnitt des Durchlauferhitzers als Draufsicht
- 4 eine Ansicht der Bodenplatte des Durchlauferhitzers mit Blick auf deren Innenseite.
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Der in den 1 und 2 dargestellte Durchlauferhitzer dient zum Erwärmen von Flüssigkeiten in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise zum Erwärmen von Wasser oder wässrigen Lösungen. Der Durchlauferhitzer weist einen Gehäuseboden 1 auf, der zusammen mit einer auf den Gehäuseboden 1 aufgesetzten Haube 2 einen von einer zu erwärmenden Flüssigkeit durchströmbaren Innenraum begrenzt. Der Durchlauferhitzer hat einen Flüssigkeitseinlass 3 und einen Flüssigkeitsauslass 4, die bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel von der Haube 2 gebildet werden. Der Gehäuseboden 1, bevorzugt in Form einer Bodenplatte, ist aus Metall, beispielsweise einer Aluminiumbasislegierung, und die Haube 2 aus Kunststoff.
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In 3 ist als Ausschnitt eine Draufsicht auf die Rückseite des Gehäusebodens 1 gezeigt, wobei der linke PTC-Heizer 10 zur besseren Darstellung ohne Federelement 5 und Isolationsschicht gezeigt ist. Wie 2 und 3 zeigen, trägt der Gehäuseboden 1 an seiner von der Haube 2 abgewandten Rückseite mehrere PTC-Heizer 10. Die PTC-Heizer 10 werden von einem Federelement 5 gegen den Gehäuseboden 1 gedrückt. Die Federelemente 5 sind aus Metall, beispielsweise einer Aluminiumbasislegierung, und erzeugen eine Federkraft, welche die PTC-Heizer 10 gegen den Gehäuseboden 1 drückt. Dabei liegen die Federelemente 5 mit zwei streifenförmigen Anlageflächen 5b wärmeleitend an dem Gehäuseboden 1 an. Zusammen sind die Anlageflächen 5b mindestens halb so groß, bevorzugt mindestens 2/3 so groß wie die dem Federelement zugewandte Oberfläche der damit verspannten PTC-Widerstände. Dadurch ist eine gute Wärmeübertragung von der Oberseite der PTC-Widerstände über das Federelement 5 auf den Gehäuseboden 1 gewährleistet. Die Federelemente 5 sind mit dem Gehäuseboden 1 verstemmt, insbesondere vernietet. Der Gehäuseboden 1 ist dazu einstückig mit Nieten 6 ausgebildet, die durch entsprechende Öffnungen 5a der Federelemente 5 hindurchragen. Die Öffnungen 5a sind dabei im Bereich der Anlageflächen 5b angeordnet.
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Der Gehäuseboden 1 ist ein plattenförmiges Fließpressteil und trägt an seiner der Haube 2 zugewandten Innenseite Wärmeabgabevorsprünge in Form von Stiften 8. Die Stifte 8 sind in mehreren Reihen nebeneinander angeordnet und ragen als Wärmeabgabestifte in den von zu erwärmender Flüssigkeit durchströmbaren Innenraum des Gehäuses hinein. Auf dem Weg vom Flüssigkeitseinlass 3 zum Flüssigkeitsauslass 4 strömt zu erwärmende Flüssigkeit an den Wärmeabgabestiften 8 vorbei und nimmt dadurch die von PTC-Heizern 10 erzeugte Wärme auf.
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An dem Gehäuseboden 1 kann zusätzlich eine in den Figuren nicht dargestellte Abdeckung befestigt sein, welche die PTC-Heizer 10 bedeckt und so thermisch und elektrisch von der Umgebung isoliert. Die Abdeckung kann Durchbrüche aufweisen, die mit den Öffnungen 9 des Gehäusebodens 1 und der Haube 2 fluchten, sodass Gehäuseboden 1, Haube 2 und Abdeckung durch Schrauben miteinander verbunden werden können. Alternativ kann der Gehäuseboden 1 mit zusätzlichen Nieten ausgebildet sein, mittels welcher die Haube 2 und -falls vorhanden- die Abdeckung mit dem Gehäuseboden 1 vernietet sein können. Zwischen dem Gehäuseboden 1 und der Haube 2 kann ein umlaufender Dichtring angeordnet sein.
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Die PTC-Heizer 10 enthalten bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen oder mehrere keramische PTC-Heizwiderstände und ein Kontaktelement 11, das an dem bzw. den PTC-Heizwiderständen anliegt. Das Kontaktelement 11 kann als ein Kontaktblech ausgebildet sein, das mit einer Isolationsschicht, beispielsweise einer Keramikplatte, bedeckt und dadurch von dem darüber liegenden Federelemente 5 elektrisch isoliert ist. Als Massekontakt wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Gehäuseboden 1 verwendet, auf dem der PTC-Heizwiderstand flächig anliegt. Wenn der Gehäuseboden 1 nicht als elektrischer Kontakt verwendet wird, kann ein zweites Kontaktblech vorgesehen sein, sodass der oder die PTC-Heizwiderstände zwischen den beiden Kontaktblechen angeordnet sind.
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Der oder die PTC-Heizwiderstände sowie das oder die Kontaktelemente und Isolationsschichten können von einem Kunststoffrahmen 12 gehalten werden. Der Kunststoffrahmen 12 bildet bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Zapfen 12a aus, die durch Öffnungen des Kontaktbleches 11 hindurchragen und so das Kontaktblech verschiebe- und drehsicher fixieren. Weiterhin weist das Kontaktblech einen abgebogenen Fortsatz 11a auf, der über einen Niet 15 und einen Ringkabelschuh 14 mit einer Leitung (nicht gezeigt) zur elektrischen Versorgung verbunden ist. Zusätzlich weist der Kunststoffrahmen 12 drei Arme 12b auf, die elastisch gegen Vorsprünge 13 des Gehäusebodens 1 drücken, beispielsweise in Form von Zapfen. Der Kunststoffrahmen 12 ist somit ebenfalls verschiebe- und drehsicher klemmend an den Vorsprüngen 13 des Gehäusebodens 1 befestigt. Diese Art der Befestigung ist auch vorteilhaft in Bezug auf Fertigungstoleranzen der verschiedenen Einzelteile und erlaubt die Fixierung des PTC-Heizers auch schon vor Montage des Federelementes.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuseboden
- 2
- Haube
- 3
- Flüssigkeitseinlass
- 4
- Flüssigkeitsauslass
- 5
- Federelement
- 5a
- Öffnungen
- 5b
- Anlagefläche
- 6
- Niet
- 8
- Stift
- 9
- Öffnung
- 10
- PTC-Heizer
- 11
- Kontaktelement
- 11a
- Fortsatz am Kontaktblech
- 12
- Kunststoffrahmen
- 12a
- Zapfen
- 12b
- Arm
- 13
- Vorsprung
- 14
- Ringkabelschuh
- 15
- Niet
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016/0069588 A1 [0002]
- DE 102011003296 A1 [0002]
