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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung mit einer elektrischen Heizeinrichtung. Die elektrische Heizeinrichtung ist vorzugsweise eine PTC-Heizeinrichtung umfassend wenigstens ein PTC-Element und elektrische Leiterbahnen, die elektrisch leitend mit dem PTC-Element verbunden sind. Die elektrische Heizvorrichtung hat ferner ein Gehäuse, das die Heizeinrichtung aufnimmt. An dem Gehäuse liegen Ein- und Auslassöffnungen für ein zu erwärmendes Fluid frei.
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Eine solche elektrische Heizvorrichtung mit PTC-Heizeinrichtungen ist beispielsweise aus
EP 1 872 986 A1 bekannt.
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Bei der vorbekannten elektrischen Heizvorrichtung handelt es sich um einen Flüssigkeitsheizer, der eine Heizkammer, die mit den Ein- und Auslassöffnungen kommuniziert, über eine Trennwand von einer Anschlusskammer trennt, in welcher der elektrische Anschluss der PTC-Heizeinrichtungen erfolgt. Die PTC-Heizeinrichtungen sind in länglichen Rohren aufgenommen, die zu der Anschlusskammer hin offen und zu der Heizkammer hin geschlossen sind. Die Rohre müssen fluiddicht sein, um zu verhindern, dass das zu erwärmende Medium zu der PTC-Heizeinrichtung, dort insbesondere zu den stromführenden Komponenten derselben gelangt. Die Rohre müssen auch fluiddicht an die Trennwand angeschlossen sein, um das Übertreten des Fluids in die Anschlusskammer zu verhindern. In der Anschlusskammer befindet sich üblicherweise auch eine Steuervorrichtung zu Steuern des Leistungsstromes.
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Insbesondere bei Hochvoltanwendungen, bei welchen die PTC-Elemente mit einer Hochvoltspannung von bis zu 600 bis 800 Ampere betrieben werden, muss für eine sorgfältige Abdichtung und elektrische Isolation zwischen dem zu erwärmenden Fluid und den stromführenden Teilen der PTC-Heizeinrichtungen gesorgt werden. Diese im Stand der Technik zu treffenden Maßnahmen machen den Aufbau aufwändig. Die Maßnahmen vergrößern auch den Wärmeweg zwischen den PTC-Elementen und dem zu erwärmenden Fluid, so dass die Wirksamkeit der PTC-Heizvorrichtung tendenziell verschlechtert ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Heizeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die in verbesserter Weise den Sicherheitsanforderungen genügt. Dabei will die vorliegende Erfindung insbesondere eine elektrische Heizvorrichtung zum Einbau in ein Kraftfahrzeug angeben. Hier kommt es insbesondere auf vibrationsfeste Eigenschaften und eine auch ansonsten robuste Gestalt der elektrischen Heizvorrichtung an, so dass diese auch unter den rauen Bedingungen eines KFZ-Betriebs dauerhaft funktionsfähig bleibt.
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Nach der vorliegenden Erfindung ist in dem Gehäuse ein wendelartig geformtes Rohr vorgesehen, das die Einlassöffnung mit der Auslassöffnung verbindet. Dieses Rohr ist wärmeleitend mit der wenigstens einen Heizeinrichtung verbunden.
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Wie bei dem Stand der Technik dient das Gehäuse der Montage der elektrischen Heizvorrichtung, insbesondere an dem Kraftfahrzeug. Das Gehäuse muss nicht notwendig in sich geschlossen sein. Im Hinblick auf eine elektrische Sicherheit der Komponente, ist ein solcher Aufbau allerdings zu bevorzugen. Das Gehäuse kann aus Kunststoff oder Metall gebildet sein. Mit Blick auf die EMV-Sicherheit ist eine Ausbildung des Gehäuses aus Metall zu bevorzugen. Zumindest sollte das Gehäuse so ausgebildet sein, dass die innerhalb des Gehäuses vorgesehenen elektrisch leitenden Teile isolierend in dem Gehäuse abgestützt und/oder durch eine metallische Umhüllung umgeben sind, so dass elektromagnetische Störungen nicht nach außen dringen.
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In an sich bekannter Weise liegen Ein- und Auslassöffnungen außen an dem Gehäuse frei. Diese können durch Rohrstutzen gebildet sein, die sich zum Anschluss eines Schlauches oder einer Leitung eignen, die das zu erwärmende Medium führen. Diese Öffnungen kommunizieren mit dem wendelartig geformten Rohr innerhalb des Gehäuses. Das Rohr kann nach Art einer Wendel mit einem einheitlichen Innen- und Außendurchmesser ausgebildet sein. Bei einer solchen Wendel liegen die einzelnen Windungen axial voneinander beabstandet. Auf eine solche streng geometrische Ausgestaltung kommt es allerdings vorliegend nicht an. Die Windungen können im Grunde in jeder beliebigen Grundform ausgeformt werden. Als Grundform wird dabei diejenige Grundfläche des wendelartig geformten Rohres verstanden, die sich bei einer Draufsicht auf das wendelartig geformte Rohr in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Steigung der einzelnen Windungen ergibt. Im Hinblick auf einen platzsparenden Aufbau der elektrischen Heizvorrichtung insgesamt kann diese Grundform kreisrund, oval oder auch im Grunde rechteckig sein.
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Sofern das wendelartig geformte Rohr durch Biegen hergestellt ist, versteht sich, dass die Grundform durch runde Ecken gekennzeichnet ist. Allerdings kann das wendelartig geformte Rohr auch aus Segmenten bestehen, die über andere Techniken als das Umformen aus einem rohrförmigen Halbzeug gebildet sind. Diese einzelnen Segmente können fluiddicht aneinandergesetzt sein. Im Hinblick auf eine einfache Massenherstellung und Skalierung sollten die einzelnen Segmente jeweils einer Windung entsprechen, d.h. einem Umschlingungswinkel von 360° der entsprechenden wendelförmigen Ausgestaltung einnehmen.
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Die elektrische Heizvorrichtung hat ein Widerstandsheizelement. Im Falle einer PTC-Heizeinrichtung ist dieses Widerstandsheizelement ein PTC-Element. Das Widerstandsheizelement der elektrischen Heizvorrichtung kann jedes beliebige, elektrisch betriebene Heizelement sein.
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung lässt sich als Heizung im Bereich der Gebäudetechnik einsetzen, z.B. zum Heizen von Häusern bzw. Gebäuden. Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung kann auch Verkehrsmitteln zum Einsatz kommen, die in der Luft, auf dem Wasser oder auf dem Land betrieben werden. In diesem Fall ist die Ausbildung des Widerstandsheizelementes als PTC-Heizelement zu bevorzugen.
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Bevorzugt ist jeweils zumindest ein Widerstandsheizelement zwischen benachbarten Windungen des Rohres vorgesehen und mit diesen wärmeleitend gekoppelt. Bei dieser Ausgestaltung liegt das zumindest eine Widerstandsheizelement in axialer Richtung zwischen benachbarten Windungen des Rohres. Das entsprechende PTC-Element überdeckt üblicherweise einen erheblichen Umfangsabschnitt des wendelartig geformten Rohres. In einem wendelartig geformten Rohr mit kreisrunder Ring- bzw. Grundfläche beträgt der Umfangsabschnitt zumindest 20° pro Heizeinrichtung.
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Vorzugsweise ist zwischen einer Innenumfangsfläche des Rohres und dem außenumfänglich gegenüberliegend dazu vorgesehenen Widerstandsheizelement, beipielsweise in Form eines PTC-Elementes eine elektrische Isolierung vorgesehen. Diese elektrische Isolierung kann durch die stoffliche Beschaffenheit des Rohres bzw. einer Beschichtung dazu vorgesehen sein. Die Innenumfangsfläche definiert den Strömungsdurchgang durch das Rohr. Die Außenumfangsfläche kann im Falle eines metallischen Rohres, welches aus Gründen der Wärmeleitfähigkeit zu bevorzugen ist, mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, beispielsweise einer keramischen Beschichtung oder einer Kunststoffbeschichtung versehen sein. Alternativ oder ergänzend kann zwischen dem Widerstandsheizelement und/oder der elektrischen Leiterbahn eine elektrische Isolierung auf Seiten der Heizeinrichtung vorgesehen sein. Eine solche elektrische Isolierung kann in Form einer Kaptonfolie ausgebildet sein. Auch andere Isolierungen sind denkbar. So kann an der Außenseite des Widerstandsheizelementes und/oder der dazu vorgesehenen Leiterbahn eine Keramiklage als Isolierschicht vorgesehen sein.
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Es versteht sich, dass das Widerstandsheizelement mit seinen Hauptseitenflächen zumindest mittelbar gegen die einander gegenüberliegenden Windungen des Rohres angelegt ist. Die Hauptseitenflächen sind dabei diejenigen einander gegenüberliegenden Flächen des beispielsweise quaderförmig ausgebildeten PTC-Elementes mit der größten flächenmäßigen Erstreckung sämtlicher Flächen des Widerstandsheizelementes.
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Das Widerstandsheizelement, beispielsweise das PTC-Element kann in seiner Grundform an die Form des Rohres angepasst sein. Im Falle einer kreisrunden Grundform kann auch das PTC-Element kreissektorförmig bzw. ringsektorförmig ausgebildet sein, so dass die Hauptseitenflächen des PTC-Elementes im Wesentlichen vollständig von den benachbarten Windungen des Rohres überdeckt sind und daran wärmeleitend anliegen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist ein Träger vorgesehen, von dem mehrere Widerstandsheizelemente/PTC-Elemente abragen, die jeweils zwischen benachbarten Windungen des Rohres vorgesehen sind. Dabei handelt es sich üblicherweise um PTC-Heizeinrichtungen, die mit axialem Abstand der wendelartigen Ausgestaltung zueinander voneinander beabstandet sind. Mit anderen Worten liegen die einzelnen, von dem gemeinsamen Träger getragenen Heizeinrichtungen in axialer Richtung des wendelartig geformten Rohres übereinander, während sich der Träger axial erstreckt. Der Träger befindet sich im Hinblick auf eine möglichst einfache Montage bevorzugt außenumfänglich relativ zu dem wendelartig geformten Rohr. So ragen die einzelnen Widerstandsheizelemente/PTC-Elemente radial nach innen und zwischen die Windungen des wendelartig geformten Rohres und liegen dort wärmeleitend an dem Rohr an.
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Zur Erhöhung der Heizleistung können mehrere solcher Träger in Umfangsrichtung des wendelartig geformten Rohres verteilt vorgesehen sein. So wird an verschiedenen Stellen des Umfangs Wärme in das Rohr eingekoppelt.
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Der Träger hat bevorzugt eine Leiteranordnung. Üblicherweise nimmt der Träger diese Leiteranordnung in sich auf. Der Träger bewirkt dabei vorzugsweise eine elektrisch isolierte und bevorzugt eingekapselte Aufnahme der Leiteranordnung. Bevorzugt ist diese Leiteranordnung gebildet durch eine Leiterplatte, die mit den einzelnen Heizelementen steckkontaktiert ist. Die Leiterplatte kann auch durch ausgestanzte Stromschienen gebildet sein, die elektrisch isolierend in dem Träger abgestützt sind und Steckkontaktierungen für die elektrische Kontaktierung der zumindest einen Heizeinrichtung ausbildet. Dabei wird jede der Leiterbahnen üblicherweise aus einem Blechstreifen gebildet, wobei jeder der Blechstreifen bevorzugt eine Kontaktzunge ausformt, die in der Leiteranordnung steckkontaktiert sein kann, vgl.
DE 20 2019 005 222 U1 .
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Die von einem Träger getragenen Heizeinrichtungen können einem einzigen Heizkreis zugeordnet sein. Bei dieser Ausgestaltung können mehrere voneinander schaltbare Heizkreise durch jeweils in Umfangsrichtung beabstandete Träger und deren -Heizeinrichtungen ausgebildet sein.
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Wie erwähnt erstrecken sich die Träger üblicherweise in axialer Richtung des wendelartig geformten Rohres. Die Träger können ober- bzw. unterhalb des Rohrs an eine Steuereinrichtung angeschlossen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung hat die elektrische Heizvorrichtung eine entsprechende Steuereinrichtung zur Steuerung der Heizleistung der elektrischen Heizvorrichtung, wobei diese Steuereinrichtung zumindest elektrisch mit der zumindest einen Leiteranordnung verbunden ist.
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Die Steuereinrichtung hat bevorzugt zumindest einen Abwärme erzeugenden Leistungsschalter, der wärmeleitend mit dem Rohr verbunden ist. Dadurch lässt sich die Verlustleistung der Steuereinrichtung zum Heizen des in den Rohren geführten Fluids nutzen.
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Im Hinblick auf eine gute Wärmeauskopplung ist die zumindest eine Heizeinrichtung unter Vorspannung zwischen benachbarten Windungen des Rohres vorgesehen. Eine solche Vorspannung kann durch eine äußere Feder bewirkt werden, die sich an dem Gehäuse abstützt und in axialer Richtung auf die Windungen wirkt. Eine solche Vorspannung kann aber auch dadurch bewirkt werden, dass die Windungen mit einem Abstand zueinander und nach Art einer Schraubenfeder hergestellt sind, der geringer als die axiale Höhe der Heizeinrichtung ist, so dass zum Einschieben der Heizeinrichtung zwischen benachbarte Windungen das wendelartig geformte Rohr elastisch axial gedehnt werden muss. Im Ergebnis liegt die jeweilige Heizeinrichtung danach unter einer von dem Rohr selbst erzeugten Vorspannung gegen einander gegenüberliegende Wandungen des Rohres an. Das Rohr ist bevorzugt ein Flachrohr.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
- 1 eine schematische Außenansicht eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung;
- 2 eine Seitenansicht wesentlicher Details der elektrischen Heizvorrichtung nach 1;
- 3 eine geschnittene Seitenansicht des Details D nach 2; und
- 4 eine vergrößerte perspektivische Darstellung des Details nach 2.
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Die 1 zeigt eine mit Bezugszeichen 2 gekennzeichnete elektrische Heizvorrichtung, die ein Gehäuse 4 aufweist, das an seiner Oberseite von einem Rohrstutzen 6 überragt ist, der eine Einlassöffnung 8 definiert, und an seiner Unterseite von einem Rohrstutzen 10 überragt ist, der eine Auslassöffnung 12 ausbildet. An der Oberseite sind zwei Stecker zu erkennen, von denen der mit Bezugszeichen 14 gekennzeichnete Stecker der Leistungsstromstecker ist. Über diesen Leistungsstromstecker 14 wird der Leistungsstrom für den Betrieb der PTC-Heizeinrichtungen zugeführt. Das mit Bezugszeichen 16 gekennzeichnete Bauteil bildet den Steuerstromstecker aus.
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Die Seitenansicht nach 2, in welcher das Gehäuse geschnitten ist, verdeutlicht mit Bezugszeichen 18 PTC-Heizeinrichtungen, die zwischen Windungen 20 eines mit Bezugszeichen 22 gekennzeichneten wendelartig geformten Rohres vorgesehen sind. Wie 4 verdeutlicht, ist das wendelartig geformte Rohr 22 mit einer ringförmigen Grundfläche ausgebildet. So ist das wendelartig geformte Rohr 22 als Wendel mit einem einheitlichen Innendurchmesser und einem einheitlichen Außendurchmesser ausgebildet. Die verschiedenen Windungen 20 erstrecken sich in axialer Richtung X des wendelartig geformten Rohres 22.
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Bei dem in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein einziger Träger 24 verdeutlicht, von dem die mehreren PTC-Heizeinrichtungen 18 abragen, so dass die PTC-Heizeinrichtungen 18 in axialer Richtung X voneinander beabstandet und zwischen den einzelnen Windungen 20 vorgesehen sind. Der Träger 24 stützt die einzelnen PTC-Heizeinrichtungen 18 mechanisch ab. Im Inneren des Trägers 24 befindet sich eine Leiteranordnung 26, über welche die einzelnen PTC-Heizeinrichtungen 18 elektrisch angebunden sind. Diese Leiteranordnung 26 hat den Träger 24 oberseitig überragende Kontaktzungen 28, die in einer mit Elektronikbauteilen bestückten Leiterplatte 30 elektrisch steckkontaktiert sind. Die Leiterplatte 30 trägt auch einen Leistungsschalter 32, der gegen die oberste Windung 20 des Rohres 22 anliegt. Durch die bestückte Leiterplatte 30 einschließlich des Leistungsschalters 32 wird eine mit Bezugszeichen 34 gekennzeichnete Steuereinrichtung ausgebildet. Diese Steuereinrichtung 34 schaltet den Leistungsstrom und empfängt Steuersignale über den Steuerstromstecker 16. Die Verlustleistung des Leistungsschalters 32 wird unmittelbar durch Wärmeleitung an das Rohr 22 übertragen. Zwischen dem Leistungsschalter 32 und dem Rohr 22 kann eine elektrische Isolierung, beispielsweise in Form einer Kaptonfolie vorgesehen sein.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat das Rohr 22 an seinen Hauptseitenflächen eine Keramikbeschichtung zur Ausbildung einer elektrischen Isolierung 36.
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Die 2 verdeutlicht schematisch eine Feder 38, durch die die einzelnen Windungen 20 unter Zwischenlage der PTC-Heizeinrichtungen 18 jeweils vorgespannt gegeneinander angelegt sind. Dadurch wird ein guter wärmeleitender Kontakt zwischen den einzelnen Windungen 20 des Rohres 22 und den PTC-Heizeinrichtungen 18 gewährleistet.
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Deren innerer Aufbau ist in 3 verdeutlicht.
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Zwischen elektrischen Leiterbahnen 40 ist ein PTC-Element 42 vorgesehen, das elektrisch leitend an den elektrischen Leiterbahnen 40 anliegt. Dazu können die elektrischen Leiterbahnen 40 lediglich gegen das PTC-Element 42 angelegt sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird diese PTC-Heizzelle von einem Kunststoffrahmen 44 umgeben, der mechanisch mit dem Träger 24 gekoppelt ist und eine Ausnehmung zur Aufnahme des zumindest einen PTC-Elementes 42 ausbildet. Der Rahmen 44 ist aus einem isolierenden Material gebildet. Die Ausnehmung hat eine geringere Höhe als die Gesamthöhe des PTC-Elementes 42 zusammen mit den elektrischen Leiterbahnen 40, so dass die elektrischen Leiterbahnen 40 jeweils auf der dem PTC-Element 42 gegenüberliegenden Seite unmittelbar gegen die elektrische Isolierung 36 der Windungen 20 anliegen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- elektrische Heizvorrichtung
- 4
- Gehäuse
- 6
- Rohrstutze
- 8
- Einlassöffnungen
- 10
- Rohrstutze
- 12
- Auslassöffnungen
- 14
- Leistungsstecker
- 16
- Steuerstromsteck
- 18
- PTC-Heizeinrichtung
- 20
- Windungen
- 22
- wendelartig geformtes Rohr
- 24
- Träger
- 26
- Leiteranordnung
- 28
- Kontaktzunge
- 30
- Leiterplatte
- 32
- Leistungsschalter
- 34
- Steuereinrichtung
- 36
- elektrische Isolierung
- 38
- Feder
- 40
- elektrische Leiterbahn
- 42
- PTC-Element
- 44
- Rahmen
- X
- axiale Richtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1872986 A1 [0002]
- DE 202019005222 U1 [0018]
