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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung zum elektrischen Heizen eines Fluids, wie auch eine elektrische Heizung mit einer derartigen Induktionsheizvorrichtung, die insbesondere für Fahrzeuge ausgestaltet ist.
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Heizungen insbesondere im Fahrzeugbereich sind meist elektrische Heizungen, da beispielsweise eine Bordnetzspannung des Fahrzeugs als elektrische Energiequelle genutzt werden kann. Elektrische Heizungen müssen jedoch berührungssicher ausgelegt werden, sodass eine gesundheitliche Gefährdung einer Person, wie beispielsweise eines Fahrzeuginsassen, durch die bei der elektrischen Heizung anliegende Spannung vermieden wird. Die bei elektrischen Heizungen üblicherweise verwendeten elektrischen Leiter werden deshalb aufwendig isoliert. Diese Isolation stellt allerdings einen wesentlichen Wärmewiderstand dar. Die notwendige elektrische Isolation führt also letztlich dazu, dass die insgesamte Effizienz der elektrischen Heizung geringer wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Induktionsheizvorrichtung zum Heizen eines Wärmeübertragungsmediums, wie beispielsweise eines Fluids, bereitzustellen, bei der auf eine elektrische Isolation verzichtet und gleichzeitig eine gesundheitliche Gefährdung beim Menschen durch elektrischen Strom vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Induktionsheizvorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 wie auch durch eine elektrische Heizung gemäß dem Patentanspruch 7 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Induktionsheizvorrichtung zum Heizen eines Fluids bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Induktionsheizvorrichtung umfasst ein Gehäuse, das einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen eines Fluids aufweist, eine außerhalb des Aufnahmeraums angeordnete elektrische Primärspule und eine innerhalb des Aufnahmeraums angeordnete elektrische Sekundärspule. Die elektrische Primärspule ist dazu eingerichtet, bei Betrieb mit einer elektrischen Nennleistung (proportional zu einer thermischen Heizleistung der Induktionsheizvorrichtung) ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Die elektrische Sekundärspule ist mit der Primärspule magnetisch gekoppelt und weist mindestens eine blanke elektrische Wicklung auf, wobei die Enden der mindestens einen blanken elektrischen Wicklung kurzgeschlossen sind. Der elektrische Widerstand der mindestens einen blanken elektrischen Wicklung ist, dabei derart gewählt, dass der in der mindestens einen Wicklung induzierte Strom zu einer Erwärmung der Sekundärspule führt. Gleichzeitig ist ein Wicklungsverhältnis von Primärspule zu Sekundärspule derart gewählt, dass bei Betrieb der Primärspule mit der elektrischen Nennleistung eine im Aufnahmeraum vorherrschende maximale Spannung kleiner ist als eine eine Gefährdung eines Menschen angegebene Grenzspannung.
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Die vorliegende Erfindung beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass durch die Wahl eines geeigneten Wicklungsverhältnisses von Primärspule zu Sekundärspule eine in der Sekundärspule induzierte Spannung derart einstellbar ist, dass keine für den Menschen gefährliche Spannung resultiert. Aufgrund der dann vorherrschenden, für den Menschen ungefährlichen Spannung kann auf eine elektrische Isolation der mindestens einen elektrischen Wicklung verzichtet werden. Dadurch erhöht sich die Wärmeübertragung von der Sekundärspule zu dem als Wärmeübertragungsmedium dienenden Fluid, sodass nicht nur eine effizientere Induktionsheizvorrichtung, sondern auch eine für einen Menschen ungefährliche elektrische Heizvorrichtung geschaffen werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung ist das Gehäuse ein elektrisch leitendes Gehäuse und ist das Wicklungsverhältnis von Primärspule zu Sekundärspule derart gewählt, dass bei Betrieb der Primärspule mit einer elektrischen Nennleistung eine an einer Außenoberfläche des Gehäuses vorherrschende maximale Spannung kleiner ist als die Grenzspannung. Durch die bevorzugte Ausgestaltung kann beispielsweise ein günstiges Metallgehäuse genutzt werden und obwohl das Metallgehäuse ein elektrisch leitendes Gehäuse ist kann eine menschliche Gefährdung aufgrund einer an einer Außenoberfläche des Gehäuses anliegenden induzierten Spannung vermieden werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Sekundärspule mehrere, die Oberfläche vergrößernde Wärmeübertragungsabschnitte auf. Aufgrund der Wärmeübertragungsabschnitte wird die Wärmeübertragungsfläche erhöht, sodass die Effizienz der Induktionsheizvorrichtung weiter erhöht werden kann.
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Besonders bevorzugt sind die Wärmeübertragungsabschnitte auf der mindestens einen elektrischen Wicklung angeordnet. Dies hat Vorteile bei der Herstellung der Induktionsheizvorrichtung, da zunächst die elektrische Wicklung um einen Spulenkern der elektrischen Sekundärspule gewickelt werden kann und anschließend die Wärmeübertragungsabschnitte durch beliebige, dem Fachmann bekannte Befestigungsmittel auf der elektrischen Wicklung angeordnet werden können.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Grenzspannung 60 V, insbesondere 48 V und weiter insbesondere 12 V beträgt. Insbesondere eine Grenzspannung von 48 V oder 12 V sind gängige Spannungen, die bei einem Bordnetz eines Fahrzeugs verfügbar sind.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung sieht vor, dass das als Wärmeübertragungsmedium dienende Fluid ein elektrisch nicht-leitendes Fluid ist. Das elektrisch nicht-leitende Fluid kann beispielsweise Öl oder eine andere korrosionsverhindernde Flüssigkeit sein. Es ist allerdings auch denkbar, dass das Fluid ein elektrisch leitendes Fluid ist, wobei dann das Wicklungsverhältnis von Primärspule zu Sekundärspule derart gewählt ist, dass bei Betrieb der Primärspule mit der elektrischen Nennleistung eine in dem Aufnahmeraum vorherrschende maximale Spannung kleiner ist als eine Elektrolysespannung des elektrisch leitenden Fluids.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Heizung für ein Fahrzeug bereitgestellt. Die elektrische Heizung umfasst ein als Wärmeübertragungsmedium dienendes Fluid, eine Induktionsheizvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt bzw. Ausgestaltungen davon, wobei das Fluid in direktem Kontakt mit der mindestens einen blanken elektrischen Wicklung der Sekundärspule ist, und einen in thermischem Kontakt mit dem Fluid befindlichen Wärmeübertrager zur Abgabe von Wärme an die Umgebung des Wärmeübertragers. Mit der elektrischen Heizung gemäß dem zweiten Aspekt können verschiedenste Komponenten des Fahrzeugs gefahrlos und effizient geheizt werden.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizung sieht vor, dass die elektrische Heizung zudem einen mit dem Wärmeübertrager in thermischem Kontakt stehenden elektrochemischen Energiespeicher, wie beispielsweise eine Traktionsbatterie des Fahrzeugs, aufweist und der Wärmeübertrager zum Heizen des elektrochemischen Energiespeichers genutzt wird. Diese besonders bevorzugte Ausgestaltung nutzt somit die von der Sekundärspule erzeugte Wärme zum Heizen des elektrochemischen Energiespeichers, was insbesondere bei Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugen von Vorteil ist.
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Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung,
- 2 eine schematische Schnittansicht der Induktionsheizvorrichtung von 1,
- 3 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizung für ein Fahrzeug.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es sei zunächst auf 1 verwiesen, die eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung 10 zeigt. Die Induktionsheizvorrichtung 10 dient zum Heizen eines Fluids, das seinerseits als Wärmeübertragungsmedium zum Heizen von verschiedenen Komponenten wie beispielsweise von Komponenten in einem Fahrzeug genutzt werden kann.
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In 2 ist eine schematische Schnittansicht der Induktionsheizvorrichtung 10 gezeigt. Die Induktionsheizvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das einen Aufnahmeraum 14 zum Aufnehmen eines Fluids 16 aufweist. Außerhalb des Aufnahmeraums 14 ist eine elektrische Primärspule 18 angeordnet, die mittels einer Steuereinrichtung 20 bei Betrieb mit einer elektrischen Nennleistung ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Innerhalb des Aufnahmeraums 14 ist eine kurzgeschlossene elektrische Sekundärspule 22 angeordnet, die mit der Primärspule 18 magnetisch gekoppelt ist. Im konkreten Beispiel von 2 erfolgt die magnetische Kopplung über die „Luft“-Strecke zwischen der Primärspule 18 und der Sekundärspule 22. Durch die magnetische Kopplung von Primärspule 18 und Sekundärspule 22 wird bei Betrieb der Primärspule 18 mit einer elektrischen Nennleistung ein Strom und eine Spannung in der Sekundärspule 22 induziert, wie dem Fachmann bei derartigen Konstellationen bekannt ist.
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Die elektrische Sekundärspule weist mindestens eine blanke bzw. unisolierte elektrische Wicklung auf (lediglich schematisch durch das Bezugszeichen 24 angedeutet). Ein elektrischer Widerstand der Wicklung 24 ist derart gewählt, dass der in der Wicklung 24 induzierte Strom zu einem Erwärmen der Sekundärspule 22 führt. Aufgrund des direkten Kontakts zwischen der Wicklung 24 bzw. der Sekundärspule 22 mit dem im Aufnahmeraum 14 befindlichen Fluid 16 kann die in der Sekundärspule 22 erzeugte Wärme direkt auf das Fluid 16 übertragen werden und in einem weiteren Wärmeübertragungskreislauf zum Heizen von verschiedenen Komponenten, insbesondere von Komponenten eines Fahrzeugs, genutzt werden.
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Zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche zwischen der Sekundärspule 22 bzw. der Wicklung 24 und dem als Wärmeübertragungsmedium dienenden Fluid 16 weist die Sekundärspule 22 im konkreten Beispiel von 2 mehrere Wärmeübertragungsabschnitte 26 auf, die auf der Wicklung 24 angeordnet sind. Die Anordnung der Wärmeübertragungsabschnitte 26 auf der Wicklung 24 kann durch beliebige, zweckmäßige und dem Fachmann bekannte Befestigungsmittel wie beispielsweise cohäsive oder adhäsive Befestigungsmittel, Löten, Kleben, Schweißen oder dergleichen erfolgen.
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Um eine elektrische Gefährdung eines Menschen aufgrund der blanken elektrischen Wicklung 24 zu vermeiden, ist das Wicklungsverhältnis von Primärspule 18 zu Sekundärspule 22 derart gewählt, dass bei Betrieb der Primärspule 18 mit der elektrischen Nennleistung eine im Aufnahmeraum 14 vorherrschende maximale Spannung kleiner ist als eine eine Gefährdung eines Menschen angegebene Grenzspannung. Die Grenzspannung wird im Wesentlichen bei 60 V sein, kann jedoch auch kleiner als 60 V sein, insbesondere Vielfache von 12 V wie beispielsweise 24 V, 36 V oder 48 V, welche in einem Bordnetz eines Fahrzeugs ohne weiteres verfügbar sind.
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So kann beispielsweise die Primärspule 18 im Bordnetz bei beispielsweise 20 V betrieben werden und 30 Wicklungen aufweisen, wohingegen die Sekundärspule 22 lediglich eine einzige Wicklung aufweisen kann. In diesem konkreten Beispiel ergibt sich eine im Aufnahmeraum 14 maximal vorherrschende Spannung von beispielsweise 0,66 V, was weit unter der erwähnten Grenzspannung liegt.
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Das im Aufnahmeraum 14 befindliche Fluid 16 kann ein elektrisch nicht-leitendes Fluid wie beispielsweise Öl oder eine andere korrosionsverhindernde Flüssigkeit sein. Das Fluid 16 kann jedoch auch ein elektrisch leitendes Fluid sein, wobei dann das Wicklungsverhältnis von Primärspule 18 zu Sekundärspule 22 derart gewählt ist, dass bei Betrieb der Primärspule 18 mit der elektrischen Nennleistung eine im Aufnahmeraum vorherrschende maximale Spannung kleiner ist als eine Elektrolysespannung des Fluids. Wenn beispielsweise Wasser als Fluid gewählt wird, dann liegt die Elektrolysespannung bekanntermaßen bei 1,23 V, was jedoch größer ist als die bei dem eben beschriebenen Beispiel erwähnten 0,66 V im Aufnahmeraum 14.
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Das bereits erwähnte Gehäuse 12 kann ein elektrisch leitendes Gehäuse wie beispielsweise ein Metallgehäuse sein. In diesem Fall würde an der Außenoberfläche des elektrischen Gehäuses eine Spannung anliegen. In einem solchen Fall würde das Wicklungsverhältnis von Primärspule 18 zu Sekundärspule 24 wiederum derart gewählt sein, dass bei Betrieb der Primärspule 18 mit der elektrischen Nennleistung eine an einer Außenoberfläche des Gehäuses vorherrschende maximale Spannung kleiner ist als die bereits erwähnte Grenzspannung. Es ist jedoch nicht zwingend notwendig, ein elektrisch leitendes Gehäuse zu verwenden. Auch elektrisch nicht-leitende Gehäuse sind denkbar.
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Selbstverständlich ist zusätzlich zum Gehäuse 12 ein weiteres sicheres und vorzugsweise elektrisch nicht-leitendes Gehäuse um die Primärspule 18 angeordnet, wie in 2 zu erkennen ist.
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Es sei nun auf 3 verwiesen, die eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer elektrischen Heizung 28 für ein Fahrzeug 30 zeigt.
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Das Fahrzeug 30 kann ein beliebiges Fahrzeug sein. Im konkreten Beispiel von 3 ist das Fahrzeug ein Elektro- oder Hybrid-Fahrzeug mit vier Rädern 32 und einem schematisch dargestellten elektrochemischen Energiespeicher 34, der beispielsweise als Traktionsbatterie zum Antreiben der Räder 32 genutzt wird.
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Die elektrische Heizung 28 weist die bereits beschriebene Induktionsheizvorrichtung 10 auf, wie auch das als Wärmeübertragungsmedium dienende Fluid 16, das in 3 schematisch in einem Wärmekreislauf 36 genutzt wird. Das Fluid 16 ist dabei in direktem Kontakt mit der mindestens einen Wicklung 24 der Sekundärspule 22. Die elektrische Heizung 28 weist zudem einen Wärmeübertrager 38 auf, der in thermischem Kontakt mit dem Fluid 16 ist und Wärme an seine Umgebung abgeben kann, wie dem Fachmann bei derartigen Wärmekreisläufen bekannt ist. Die von dem Wärmeübertrager 38 abgebbare Wärme kann zum Erwärmen von verschiedensten Komponenten des Fahrzeugs 30 genutzt werden. Im konkreten Beispiel von 3 steht der Wärmeübertrager 38 in thermischem Kontakt mit dem als Traktionsbatterie genutzten elektrochemischen Energiespeicher 34, sodass der elektrochemische Energiespeicher 34 mittels des Wärmeübertragers 38 geheizt bzw. erwärmt werden kann, was insbesondere bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen vorteilhaft ist.
