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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs und/oder zur Beheizung eines Aggregats eines Kraftfahrzeugs.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Heizeinrichtungen sind im Stand der Technik vielfältig bekannt, beispielsweise durch sogenannte PTC-Zuheizer gemäß der
EP 0 350 528 A1 . Dabei werden PTC-Elemente zwischen Kontaktblechen angeordnet, welche die PTC-Elemente elektrisch kontaktieren, wobei auf der gegenüberliegenden Seite der Kontaktbleche Wellrippen angeordnet sind, um die Wärme, die von den PTC-Elementen erzeugt wird, an die die Wellrippen durchströmende Luft unmittelbar abzugeben. Dabei wird das jeweilige PTC-Element durch den Stromfluss erwärmt und gibt die erzeugte Wärme durch Wärmeleitung an die Kontaktbleche ab und durch Wärmestrahlung auch im Wesentlichen in alle andere Richtungen ab. Aufgrund der dominierenden Wärmeleitung wird dennoch der Großteil der Wärme an die unmittelbar benachbarten Wellrippen abgegeben.
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Da verbrauchsoptimierte Kraftfahrzeuge immer weniger Abwärme erzeugen, welche für die Aufwärmung des Kraftfahrzeuginnenraumes zur Verfügung steht, insbesondere in der Startphase und bei geringen Außentemperaturen, ist es daher notwendig mittels Zuheizern zuzuheizen. Hierzu sind beispielsweise die oben genannten elektrischen PTC-Zuheizer bekannt.
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Für hybridisierte Fahrzeuge oder rein elektrisch angetriebene Fahrzeuge ist der Stellenwert der elektrischen Zuheizung noch größer. Hierfür werden Leistungen von mehr als 3 kW benötigt, da ein konventioneller kühlmitteldurchströmter Heizkörper nur noch bedingt oder gar nicht mehr vorhanden ist. Bei solchen Kraftfahrzeugen ist die Bordnetzspannung oft größer 60 V, teilweise sogar größer 300 V. Aufgrund der hohen geforderten Heizleistungen am Zuheizer wird auch dieser mit der hohen Spannung betrieben, um die Stromstärke möglichst gering zu halten. Ein solcher Zuheizer muss aber auch einen sicheren Berührungsschutz aufweisen, so dass eine Gefährdung der Insassen im Betrieb ausgeschlossen wird. Eine Vorgabe ist hierfür, dass alle elektrisch leitenden und von außen berührbaren Teile des elektrischen Zuheizers potentialfrei sein müssen, also ein absoluter Berührungsschutz bestehen muss. Zusätzlich sollte die Hochspannungseinheit staub- und wasserdicht gekapselt sein. Die Umwandlung von elektrischer Energie aus dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges in Wärme erfolgt in der Regel in einem Heizelement, wie beispielsweise einem PTC-Heizelement.
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Die bekannten PTC-Zuheizer verwenden PTC-Heizelemente, welche direkt in den Wärmeübertrager integriert sind. Bei luftseitigen Heizern wird dies in Form von Heizstäben realisiert, siehe auch die
EP 0 350 528 A1 .
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Dabei fällt die durch die PTC-Heizelemente erzeugte Wärme lokal auf sehr engem Raum an und wird durch schlechte Wärmeübergänge und kleine Flächen unzureichend und effizienzmindernd abgeführt. Bei PTC-Heizelementen sorgt dies für einen suboptimalen Betriebszustand, da sich durch ihre Eigenwärme ihr Widerstand erhöht und diese elektrisch abriegeln.
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Weiterer Nachteil ist die bauliche Einheit aus den Heizstäben und dem wärmeabgebenden Heizkörper als solchen. Durch diese gemeinsame Gestaltung wird eine elektrische Absicherung gegen Wasser, Staub und als Berührungsschutz des gesamten Bauteils erforderlich.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Heizeinrichtung zu schaffen, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung mit einer Heizeinheit zur Wärmeerzeugung und mit einer Wärmesenke zur Wärmeabgabe, wobei Wärme von der Heizeinheit an die Wärmesenke übertragbar ist, wobei die Heizeinheit ein Gehäuse aufweist, wobei in dem Gehäuse zumindest ein elektrisches Heizelement zumindest ein elektrisches Kontaktelement vorgesehen sind, wobei ein elektrisches Isolationsmittel in dem Gehäuse vorgesehen ist, welches das zumindest eine elektrische Heizelement und das zumindest eine elektrische Kontaktelement gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert, wobei weiterhin ein thermisches Isolationsmittel vorgesehen ist, welches das elektrische Heizelement gegenüber dem Gehäuse thermisch isoliert, wobei das thermische Isolationsmittel ein Isolationsfenster aufweist, im Bereich welchen das Gehäuse thermisch an das elektrische Heizelement angekoppelt ist, wobei die Wärme von dem zumindest einen elektrischen Heizelement an die Wärmesenke durch das Isolationsfenster übertragbar ist. Damit wird erreicht, dass die elektrische Heizeinheit vollständig kapselbar ist und die Übertragung der Wärme zu einer Wärmesenke durch die gekapselte Wandung des Gehäuses erfolgt. Damit können einerseits die Anforderungen an die elektrische Isolation und Dichtigkeit erfüllt werden und zum anderen kann eine hohe Flexibilität erreicht werden, weil die Wärmeübertragung zur Wärmesenke je nach Anwendungsfall durchaus unterschiedlich gestaltet werden kann.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist es auch vorteilhaft, wenn in dem Gehäuse im Bereich des Isolationsfensters zwischen dem elektrischen Heizelement und dem Gehäuse ein Wärmeleitmedium angeordnet ist. Dieses Wärmeleitmedium sorgt entsprechend dafür, dass im Bereich des Isolationsfensters eine gute Wärmeleitung vorliegt, die höher ist als im Bereich der thermischen Isolation. Damit wird durch das Isolationsfenster im Wesentlichen die gesamte Wärme aus dem Gehäuse geleitet, insbesondere mehr als 90% der erzeugten Wärme, so dass eine gezielte Wärmeabgabe vorgenommen wird.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn zwischen dem elektrischen Heizelement und dem Wärmeleitmedium das elektrische Isolationsmittel angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, dass das Wärmeleitmedium selbst potentialfrei gegenüber dem Heizelement ist.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn zwischen dem elektrischen Heizelement und dem elektrischen Isolationsmittel zumindest ein elektrisches Kontaktelement angeordnet ist. Damit wird erreicht, dass das oder die elektrischen Kontaktelemente gegenüber dem Gehäuse isoliert sind, so dass das Gehäuse potentialfrei ist und damit auch berührbar ist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das elektrische Heizelement in dem Gehäuse gekapselt angeordnet ist und elektrisch isoliert von dem Gehäuse angeordnet ist. Dadurch wird sowohl der Berührschutz als auch der Staub- bzw. Feuchtigkeitsschutz gewährleistet.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn das elektrische Heizelement gegenüber dem Gehäuse bis auf das Isolationsfenster thermisch isoliert ist. Damit wird eine lokale Auskopplung der Wärme erlaubt, so dass eine definierte Weiterleitung der Wärme durchgeführt werden kann.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Wärme von dem zumindest einen elektrischen Heizelement an die Wärmesenke durch das Isolationsfenster übertragbar ist, wobei die Wärmesenke unmittelbar an das Gehäuse thermisch angekoppelt ist. Damit kann ein Ausführungsbeispiel geschaffen werden, bei dem ein kompakter Ausbau erreichbar ist und die Wärme im Wesentlichen unmittelbar an die Wärmesenke abgegeben werden kann.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Wärme von dem zumindest einen elektrischen Heizelement an die Wärmesenke durch das Isolationsfenster übertragbar ist, wobei die Wärmesenke mittels eines Wärmeübertragungselements an das Gehäuse thermisch angekoppelt ist. Damit kann die Wärme an eine Wärmesenke weitergeleitet werden, die entfernt von der Heizeinheit angeordnet ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Wärmeübertragungselement eine Heat-Pipe-Vorrichtung ist. Damit kann effektiv die Wärme von der Heizeinheit zur Wärmesenke transportiert werden, wobei auch spezifische geometrische Gestaltungen möglich sind.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Wärmesenke ein fluiddurchströmbares Element ist, wie ein flüssigkeitsdurchströmbares oder ein gasdurchströmbares Element ist. Also beispielsweise ein fluiddurchströmbares Gehäuse oder eine Rohranordnung und/oder Rippenanordnung zur Gas- bzw. Luftdurchströmung etc.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Figurenliste
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Figuren der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine Heizeinheit einer elektrischen Heizeinrichtung,
- 2 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizeinrichtung,
- 3 eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizeinrichtung,
- 4 eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizeinrichtung,
- 5 eine perspektivische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizeinrichtung,
- 6 eine Ansicht einer Heat-Pipe-Vorrichtung, und
- 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizeinrichtung.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt schematisch eine Heizeinheit 2 einer elektrischen Heizeinrichtung 1 im Schnitt.
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Dabei weist eine erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung 1 zumindest eine Heizeinheit 2 oder eine Mehrzahl von Heizeinheiten 2 auf. Diese Heizeinheiten 2 werden elektrische beheizt und erzeugen Wärme, die abgegeben wird. Weiterhin weist die elektrische Heizeinrichtung 1 zumindest eine Wärmesenke 3 oder eine Mehrzahl von Wärmesenken auf, siehe hierzu auch die 2 bis 5 und 7. Dabei wird die Wärme von der Heizeinheit 2 erzeugt und auf die Wärmesenke 3 übertragen und von dieser Wärmesenke 3 abgegeben.
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Die in 1 gezeigte Heizeinheit 2 weist ein Gehäuse 4 auf, das die Heizeinheit 2 nach außen abschließt. Dabei ist das Gehäuse 4 zumindest im Wesentlichen geschlossen und insbesondere nur elektrische Versorgungsleitungen für das im Gehäuse 4 angeordnete elektrische Heizelement bzw. für solche elektrische Heizelemente 5 durchgreifen das Gehäuse 4.
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In dem Gehäuse 4 ist also zumindest ein elektrisches Heizelement 5 oder eine Mehrzahl solcher elektrischer Heizelemente 5 angeordnet. Weiterhin ist zumindest ein elektrisches Kontaktelement 6 bzw. zumindest zwei elektrische Kontaktelemente 6 oder eine Mehrzahl elektrischer Kontaktelemente 6 vorgesehen. Dabei kontaktieren die elektrischen Kontaktelemente 6 das elektrische Heizelement 5 vorteilhaft an zwei beabstandeten Bereichen oder Stellen oder an gegenüberliegenden Flächen. Somit kann ein Stromfluss durch das elektrische Heizelement erzielt werden.
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Weiterhin ist ein elektrisches Isolationsmittel 7 in dem Gehäuse 4 vorgesehen, welche das zumindest eine elektrische Heizelement 5 und die elektrischen Kontaktelemente 6 gegenüber dem Gehäuse 4 elektrisch isoliert. Vorteilhaft umgibt das Isolationsmittel 7 die Anordnung von elektrischen Heizelementen 5 und elektrischen Kontaktelementen 6 vollständig. So kann das Isolationsmittel 7 eine Formdichtung, eine Folie, eine Gussmasse etc. oder eine Kombination davon sein.
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Weiterhin ist in dem Gehäuse 4 ein thermisches Isolationsmittel 8 vorgesehen, welches das elektrische Heizelement 5 gegenüber dem Gehäuse 4 thermisch isoliert. Dabei isoliert das thermische Isolationsmittel 8 das elektrische Heizelement 5 nicht vollständig gegenüber dem Gehäuse 4. Das thermische Isolationsmittel 8 weist ein Isolationsfenster 9 auf, im Bereich welchen das Gehäuse 4 thermisch an das elektrische Heizelement 5 angekoppelt ist. Dadurch kann im Bereich des Isolationsfensters 9 die Wärme gezielt von dem elektrischen Heizelement 5 ausgetragen werden. Dabei ist entsprechend die Wärme von dem zumindest einen elektrischen Heizelement 5 an die zumindest eine Wärmesenke 3 durch das Isolationsfenster 9 übertragbar.
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In 1 ist auch zu erkennen, dass in dem Gehäuse 4 im Bereich des Isolationsfensters 9 zwischen dem elektrischen Heizelement 5 und dem Gehäuse 4 ein Wärmeleitmedium 10 angeordnet ist. Dies dient der besseren Wärmeauskopplung von dem elektrischen Heizelement 5 hin zu dem Gehäuse 4 und zur Wärmesenke 3.
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Vorteilhaft ist zwischen dem elektrischen Heizelement 5 und dem Wärmeleitmedium 10 das elektrische Isolationsmittel 7 angeordnet, um das Wärmeleitmedium elektrisch zu isolieren.
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Auch ist zu erkennen, dass zwischen dem elektrischen Heizelement 5 und dem elektrischen Isolationsmittel 7 zumindest ein elektrisches Kontaktelement 6 angeordnet ist.
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Insgesamt wird vorteilhaft erreicht, dass das elektrische Heizelement 5 in dem Gehäuse 4 gekapselt angeordnet ist und elektrisch isoliert von dem Gehäuse 4 angeordnet ist. So ist es auch vorteilhaft, wenn das elektrische Heizelement 5 gegenüber dem Gehäuse 4 bis auf das Isolationsfenster 9 thermisch isoliert ist. Dadurch kann die Wärme von dem zumindest einen elektrischen Heizelement 5 an die Wärmesenke 3 durch das Isolationsfenster 9 übertragen werden. Dabei kann die Wärmesenke 3 entweder unmittelbar an das Gehäuse 4 thermisch angekoppelt sein oder die Wärmesenke 3 kann mittels eines Wärmeübertragungselements 11 an das Gehäuse 4 thermisch angekoppelt sein.
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Die 2 bis 5 und 7 zeigen dazu verschiedene Ausführungsbeispiele.
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In 2 ist die elektrische Heizeinheit 2 über ein Wärmeübertragungselement 11, wie beispielsweise eine Wärmeleitvorrichtung, an die Wärmesenke 3 thermisch angekoppelt. Dabei ist die Wärmesenke 3 beispielsweise ein fluiddurchströmbares Element, beispielweise für ein flüssiges Fluid. Dabei wird das Fluid beim Durchströmen erwärmt.
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In 3 ist die elektrische Heizeinheit 2 unmittelbar an die Wärmesenke 3 thermisch angekoppelt. Dabei ist die Wärmesenke 3 beispielsweise ein fluiddurchströmbares Element, beispielweise für ein flüssiges Fluid. Dabei wird das Fluid beim Durchströmen erwärmt.
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In 4 ist die elektrische Heizeinheit 2 über ein Wärmeübertragungselement 11, wie beispielsweise eine Wärmeleitvorrichtung, an die Wärmesenke 3 thermisch angekoppelt. Dabei ist die Wärmesenke 3 beispielsweise ein gasdurchströmbares Element, beispielweise für Luft, Abgas etc. als Fluid. Dabei wird das Fluid beim Durchströmen erwärmt.
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In 5 ist die elektrische Heizeinheit 2 unmittelbar an die Wärmesenke 3 thermisch angekoppelt. Dabei ist die Wärmesenke 3 beispielsweise ein gasdurchströmbares Element, beispielweise für Luft, Abgas etc. als Fluid. Dabei wird das Fluid beim Durchströmen erwärmt.
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Als Wärmeübertragungselement 11 kann eine Heat-Pipe-Vorrichtung vorgesehen sein, welche in 6 erkennbar ist. Die Heat-Pipe-Vorrichtung ist dabei ein insbesondere geschlossenes Rohr 12, in welchem ein verdampfendes Fluid 13 angeordnet ist, welche innerhalb der Heat-Pipe-Vorrichtung eine interne Fluidzirkulation erzeugt und damit Wärme transportieren kann. Man erkennt in 6 unten das flüssige Fluid, das unter Wärmezufuhr verdampft und aufsteigt. Oben wird dem verdampften Fluid Wärme entzogen und es kondensiert wieder und sinkt an der Wandung wieder ab. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmeübertragungselement 11 auch nur ein thermischer Leiter sein, beispielsweise aus Kupfer, Aluminium etc.
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Die in den 2 bis 5 gezeigten Wärmesenken 3 sind fluiddurchströmbare Elemente, die als flüssigkeitsdurchströmbare oder gasdurchströmbare Elemente ausgebildet sind. Die luftdurchströmbaren Elemente oder die gasdurchströmbaren Elemente können Rippenelemente aufweisen, beispielsweise Rohr-Rippen-Vorrichtungen.
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Die 7 zeigt schematisch eine elektrische Heizeinrichtung 1 mit einer elektrischen Heizeinheit 2 und mit einer Wärmesenke 3. Dabei ist die Wärmesenke 3 ein Rippenelement zur Durchströmung von einem Gas, wie Luft. Die Heizeinheit 2 steht über ein Wärmeübertragungselement 11, wie beispielsweise eine Wärmeleitvorrichtung, mit der Wärmesenke 3 thermisch in Verbindung. Dabei ist das Rippenelement beiderseits des Wärmeübertragungselements 11 ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0350528 A1 [0002, 0005]
