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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung. Die vorliegende Erfindung will insbesondere eine elektrische Heizvorrichtung angeben, die skalierbar ist und dementsprechend sich gut an unterschiedliche Leistungsanforderungen anpassen lässt. Die elektrische Heizvorrichtung soll sich wirtschaftlich herstellen lassen und einen einfachen Aufbau erlauben.
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Im Hinblick darauf schlägt die vorliegende Erfindung eine elektrische Heizvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vor.
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung hat mehrere übereinanderliegende Kassetten, die zwischen sich jeweils eine PTC-Heizeinrichtung einschließen. Die Kassetten haben jeweils an gegenüberliegenden Stirnseitenflächen zwei Öffnungen. Dabei werden üblicherweise zwei an einer Stirnseitenfläche vorgesehene Öffnungen mit einer Umlenkeinrichtung verbunden, durch welche die Strömung innerhalb der Kassette umgelenkt wird. Die Kassette bildet zumindest zwei Strömungskanäle aus, die gegenläufig angeströmt werden. So ergibt sich eine Wärmeübertragung im Gegenstromprinzip. Zwischen den beiden Strömungskanälen ist eine üblicherweise durch die Kassette selbst ausgebildete Trennwand vorgesehen, die üblicherweise an beiden Stirnseitenflächen bis an die Öffnungen reicht. Die die Strömung innerhalb der Kassette umlenkende Umlenkeinrichtung wird im Folgenden als Kassetten-Umlenkeinrichtung bezeichnet. Üblicherweise an der gegenüberliegenden Stirnseitenfläche ist eine andere Umlenkeinrichtung vorgesehen, über welche die Strömung von einer ersten Kassette auf eine zweite Kassette umgelenkt wird, die benachbart zu der ersten Kassette vorgesehen ist. Durch die übereinander vorgesehenen Kassetten wird eine Stapelung von Kassetten gebildet. Zwei übereinanderliegende Kassetten bilden die kleinste Einheit zur Verwirklichung der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung aus. Die die beiden benachbarten Kassetten strömungstechnisch miteinander verbindende Umlenkeinrichtung wird im Folgenden auch als Stapel-Umlenkeinrichtung bezeichnet. Die Stapel-Umlenkeinrichtung verbindet zumindest zwei an einer gleichen Stirnseitenfläche vorgesehene Öffnungen von zwei unterschiedlichen Kassetten miteinander. Im Falle einer elektrischen Heizvorrichtung mit lediglich zwei Kassetten befindet sich an dieser Stirnseitenfläche sowohl die Einlassöffnung als auch die Auslassöffnung der elektrischen Heizvorrichtung.
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Es versteht sich, dass eine Vielzahl von Kassetten als Stapelung übereinander vorgesehen sein kann, wobei zwischen den jeweiligen Kassetten jeweils eine PTC-Heizeinrichtung vorgesehen ist. Eine PTC-Heizeinrichtung umfasst zumindest ein PTC-Element. Hierbei handelt es sich um ein keramisches Halbleiterbauteil, welches auch üblicherweise an gegenüberliegenden Seiten mit Leiterbahnen kontaktiert ist, die unterschiedlicher Polarität zugeordnet sind. Die Leiterbahnen können durch einander gegenüberliegende Oberflächen der Kassetten gebildet sein. Üblicherweise sind die Leiterbahnen aber durch gesonderte Leitungselemente, insbesondere Kontaktbleche ausgebildet, die wärmeleitend gegen die Oberflächen der Kassetten anliegen und zwischen sich das zumindest eine PTC-Element einschließen. Bei einer potentialfreien Anordnung befinden sich die Leiterbahnen und die PTC-Elemente üblicherweise zwischen zwei außen gegen die Leiterbahnen anliegenden Isolierlagen. So können die einzelnen Kassetten aus einem gut wärmeleitfähigen Metall gebildet sein. Die relativ einfache Geometrie der Kassetten macht es auch möglich, diese aus einer Keramik herzustellen, beispielsweise auch mittels Strangpressen eines Grünlings und nachfolgendes Sintern. Ein solches, die Kassette im Wesentlichen ausbildendes Halbzeug kann an den jeweiligen Stirnseitenflächen mit Umlenkeinrichtungen versehen und dichtend an diese angeschlossen werden, die sich in Endkontur kostengünstig herstellen lassen. Diese Umlenkeinrichtungen können beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sein, was im Hinblick auf eine gute Isolation im Bereich der Umlenkung gewünscht ist. Die Kassetten selbst sollten zumindest dort gut wärmeleitende Eigenschaften haben, wo die PTC-Heizeinrichtung zwischen den Kassetten angeordnet ist. Die dort vorgesehenen Flächen werden auch im Folgenden als Deckelelemente bezeichnet. Die Deckelelemente können aus einem anderen Werkstoff als der übrige Teil der Kassette, der im Wesentlichen rahmenförmig ausgebildet ist, hergestellt sein.
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Zwischen benachbarten Kassetten können mehrere PTC-Elemente vorgesehen sein, die unterschiedlichen Heizkreisen zugeordnet sind. Dazu sind zumindest auf einer Seite der PTC-Elemente mehrere Leiterbahnen vorgesehen, die elektrisch voneinander getrennt angeordnet und separat angesteuert werden können. Jeder einzelne hierdurch gebildete Heizkreis hat eine Anschlussfahne zum elektrischen Anschluss des jeweiligen Heizkreises.
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Über diese Anschlussfahnen wird der oder die Heizkreise elektrisch angeschlossen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung befinden sich diese Anschlussfahnen an einer einzigen Seitenfläche zwischen den Kassetten und ragen hier von den Kassetten ab. Sämtliche Anschlussfahnen der zwischen den beiden Kassetten vorgesehenen PTC-Heizeinrichtung liegen dementsprechend an einer Seitenfläche zwischen den Kassetten frei. An dieser Seitenfläche befindet sich eine Kontaktierungseinrichtung, über welche sämtliche Anschlussfahnen mit einer Steuereinrichtung kontaktiert sind. Die Steuereinrichtung ist an einer randseitigen Kassette der Stapelung vorgesehen. Die Steuereinrichtung liegt üblicherweise unmittelbar an einem Deckelelement dieser randseitigen Kassette an. Es versteht sich, dass die Steuereinrichtung bevorzugt in einem gesonderten Gehäuse vorgesehen und gegenüber Umwelteinflüssen geschützt ist.
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Die Kontaktierungseinrichtung kann als Leiterbahn ausgebildet sein, wie sie mit
EP 2 505 931 A1 beschrieben ist. Eine solche Kontaktierungseinrichtung ist üblicherweise in einer Leiterplatte der Steuereinrichtung steckkontaktiert. Die Leiterplatte der Kontaktierungseinrichtung erstreckt sich üblicherweise rechtwinklig zu der Leiterplatte der Steuereinrichtung.
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Üblicherweise hat die Steuereinrichtung einen Verlustleistung erzeugenden Leistungstransistor. Dieser ist wärmeleitend mit zumindest einem Strömungskanal der zugeordneten Kassette gekoppelt, so dass die erzeugte Verlustleistung auch zum Heizen des zu erwärmenden Fluids genutzt werden kann.
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Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung eignet sich insbesondere zum Heizen in mobilen Fahrzeugen zu Wasser, zu Land oder zu Luft. Die elektrische Heizvorrichtung eignet sich zur Erwärmung gasförmiger wie auch zur Erwärmung flüssiger Medien. Es versteht sich, dass der die Verlustleistung erzeugende Leistungstransistor dem einlassseitigen Strömungskanal zugeordnet sein sollte, in dem das Fluid gegenüber dem auslassseitigen Strömungskanal noch eine geringere Temperatur und somit bessere Wärmeaufnahmefähigkeit hat. Aus entsprechenden Überlegungen sollte der Leistungstransistor möglichst nahe an der Einlassöffnung zu dem entsprechenden Strömungskanal angeordnet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung haben die Kassetten auf gegenüberliegenden Seiten jeweils Deckelelemente. Diese decken einen die Öffnungen ausbildenden Rahmen der Kassette ab. Die Deckelelemente können aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff bestehen, wohingegen der Rahmen aus einem anderen Werkstoff bestehen kann, beispielsweise Kunststoff, welches gegenüber Metall eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit hat. Die Isolation in Umfangsrichtung durch den Rahmen ist durchaus zur Vermeidung von Wärmeverlusten gewünscht. Zwischen den Deckelelementen benachbarter Kassetten ist die PTC-Heizeinrichtung vorgesehen.
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Die Deckelelemente können selbst die Leiterbahnen ausbilden. Ein Deckelelement kann mehrere elektrisch getrennte Leiterbahnen ausbilden, die voneinander elektrisch isoliert sind und gegenüber dem Fluid elektrisch isoliert sein können. Die zwischen sich die PTC-Heizeinrichtung aufnehmenden Deckelelemente haben bevorzugt auf der der PTC-Heizeinrichtung gegenüberliegenden Innenfläche eine Oberflächengestaltung, die die Ausbildung einer laminaren Strömung innerhalb des bzw. der Strömungskanäle stört. Eine solche Oberflächengestaltung kann sich quer zu der Hauptströmungsrichtung erstreckende Vorsprünge oder Wellen bzw. Kanten aufweisen. Die entsprechende Gestaltung kann durch Aufrauen der Innenfläche des Deckelelements gebildet sein. Es versteht sich, dass auf eine solche Gestaltung dort verzichtet wird, wo die Trennwand möglichst dichtend gegen die Innenfläche des Deckelelements angelegt ist. Die Oberflächengestaltung kann beispielsweise auch durch Prägen eines aus einem Metallblech gebildeten Deckelelements ausgeformt werden. Kugel- oder Sandstrahlen des Deckelelements sind ebenfalls denkbar für die Modifikation der Oberfläche im Hinblick auf eine bestmögliche Störung einer laminaren Oberfläche.
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Eine verbesserte Wärmeübertragung bei leicht vergrößertem Druckabfall des durch die elektrische Heizvorrichtung strömenden Mediums wird dadurch erreicht, dass die Kassetten jeweils einen verbreiterten Strömungseinlassabschnitt und einen verbreiterten Strömungsauslassabschnitt ausbilden und dass ein gegenüber dem Strömungsein- und dem Strömungsauslassabschnitt im Strömungsquerschnitt verjüngter Wärmeübertragungsabschnitt zwischen diesen beiden Ein- und Auslassabschnitten vorgesehen ist. Die Verbreiterung ist bevorzugt in Höhenrichtung der Stapelung vorgesehen. Es versteht sich, dass ein solcher Aufbau besonders bevorzugt bei einer Stapelung mit nur zwei Kassetten verwirklicht ist. In dem verjüngten Wärmeübertragungsabschnitt ergibt sich ein relativ geringer Spalt für das Hindurchleiten des zu erwärmenden Fluids durch die elektrische Heizvorrichtung. So wird die Strömung immer jeweils relativ nahe an einer Innenfläche geführt, die unmittelbar wärmeleitend mit der PTC-Heizeinrichtung verbunden ist. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit in dem verjüngten Wärmeübertragungsabschnitt ergibt sich dabei üblicherweise eine turbulente Strömung, die die Wärmeübertragung an der Innenfläche weiter verbessert.
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Im Hinblick auf eine weitere Skalierung kann es zu bevorzugen sein, zwei identische, miteinander gefügte Kassettenmodule vorzusehen, die jeweils eine der Kassetten ausbilden.
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Das zuvor erwähnte Deckelelement kann dabei sowohl die Kassette als auch die Kassetten-Umlenkeinrichtung überdecken, die in der Ebene der Kassette diese an der einen Stimseitenfläche abdeckt und außenumfänglich verlängert und einen Halbkreisbogen hat, der den einen Strömungskanal mit dem anderen Strömungskanal so verbindet, dass die Strömung zwischen den beiden Kanälen nur einen geringen Druckverlust erleidet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:
- 1 eine perspektivische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels;
- 2 eine perspektivische Draufsicht einer Kassette eines zweiten Ausführungsbeispiels;
- 3 eine perspektivische Draufsicht auf eine Stapelung unter Verwendung der Kassette nach 2;
- 4 eine perspektivische Seitenansicht einer Variante des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels einer elektrischen Heizvorrichtung;
- 5 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Ausführungsbeispiels im Wesentlichen gemäß 2 mit zwei davon abgehobenen Deckelelementen;
- 6 eine perspektivische Draufsicht auf eine Variante eines Deckelelements gemäß 4 und
- 7 eine perspektivische Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 zeigt eine elektrische Heizvorrichtung 2 mit mehreren Kassetten 4. Vorliegend sind drei Kassetten 4 übereinander gestapelt. Zwischen den Kassetten 4 sind jeweils PTC-Heizeinrichtungen 5 vorgesehen, die nachstehend noch näher erläutert werden.
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Die Kassetten 4 bilden an jeweils einer ihrer Stirnseitenflächen 6 bzw. 8 zwei Öffnungen aus, die in 2 mit Bezugszeichen 10 für die erste Stirnseitenfläche 6 und Bezugszeichen 12 für die zweite Stirnseitenfläche 8 gekennzeichnet sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 ist die linke Öffnung 10 der unteren Kassette 4.1 mit einer Abdeckkappe 14 verschlossen, von der ein Anschlussstutzen 16 abragt. Durch die Abdeckkappe 14 mit dem Anschlussstutzen 16 ist ein Anschlusselement gebildet. Das Anschlusselement ist mit Bezugszeichen 18 gekennzeichnet und einteilig, beispielsweise aus Kunststoff ausgeformt. Ein entsprechend ausgebildetes Anschlusselement 18 verschließt die in 1 rechts oben dargestellte Öffnung 10 der oberen Kassette 4.3.
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Die weiteren Öffnungen 10 an der besagten Stirnseitenfläche 6 sind durch Stapel-Umlenkeinrichtungen 20 verbunden. Diese Stapelumlenkeinrichtungen 20 verbinden übereinanderliegende Kassetten 4 strömungsmäßig miteinander. Die Stapelumlenkeinrichtungen 20 können durch zwei aus Kunststoff hergestellte und miteinander gefügte 90°-Winkelstücke gebildet sein, die die Strömung umlenken.
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An der gegenüberliegenden Stirnseitenfläche 8 erfolgt die Umlenkung der Strömung über Kassetten-Umlenkeinrichtungen 22, die mit den jeweiligen Öffnungen 12 kommunizieren und daran angeschlossen sind. Die Kassetten-Umlenkeinrichtungen sind ebenfalls aus Kunststoff hergestellt. Auch diese können zwei 90°-Krümmerabschnitte aufweisen, die die Kassetten-Umlenkeinrichtungen jeweils ausbilden. Die Kassetten-Umlenkeinrichtungen lenken die Strömung von einem Strömungskanal in einen weiteren Strömungskanal, der innerhalb der Kassette 4 ausgebildet wird, um. Die entsprechenden Strömungskanäle sind mit Bezugszeichen 24 bzw. 26 in 2 gekennzeichnet. Die beiden Strömungskanäle 24, 26 werden durch eine innerhalb der Kassette 4 vorgesehene Trennwand getrennt, die in 2 mit Bezugszeichen 28 gekennzeichnet ist.
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Die 2 lässt erkennen, dass die Kassette 4 jeweils aus einem rahmenförmigen Element besteht, welches sich bei dem Ausführungsbeispiel nach den 2 und 3 über die Kassetten-Umlenkeinrichtung 22 fortsetzt. Auf Höhe der Strömungskanäle 24, 26 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sechs PTC-Elemente 30 vorgesehen, die einer mit Bezugszeichen 32 gekennzeichneten Leiterbahn zugeordnet sind. Die Leiterbahn 32 besteht vorliegend aus einem Blechstreifen, an dem durch Stanzen und Biegen in 3 mit Bezugszeichen 34 gekennzeichnete Anschlussfahnen einteilig ausgeformt sind. Die entsprechenden Anschlussfahnen 34 ragen von einer einzigen Seitenfläche der Kassetten 4 ab. Die 4 verdeutlicht schematisch eine Verdrahtungs-Leiterplatte 36, die die entsprechenden Anschlussfahnen 34 elektrisch aufnimmt und zu Heizkreisen gruppiert. Die Verdrahtungs-Leiterplatte 36 ist elektrisch mit einer bestückten Leiterplatte 38 verbunden, die in einem schematisch in 4 angedeuteten Steuergehäuse vorgesehen ist und ein Ausführungsbeispiel einer Steuereinrichtung darstellt.
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Die 5 lässt in einer perspektivischen Darstellung die drei Komponenten der Kassette 4 erkennen. Die Kassette 4 hat ein Rahmenelement, beispielsweise aus Kunststoff, welches mit Bezugszeichen 40 gekennzeichnet ist. Das Rahmenelement 40 bildet einen die Strömungskanäle 24, 26 begrenzenden Rahmen sowie die Trennwand 28 einteilig aus. Auch die stirnseitigen Begrenzungsflächen mit den Öffnungen 10 bzw. die Öffnungen 12 werden durch das Rahmenelement 40 ausgebildet.
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In der Ebene des Rahmenelementes 40 ist auch die Kassetten-Umlenkeinrichtung 22 angeordnet. Diese Kassetten-Umlenkeinrichtung 22 und die Kassette 4 sind durch zwei Deckelelemente 42 miteinander verbunden, die beispielsweise aus einem Metall, insbesondere einem Metallblech bestehen können oder daraus gebildet sind. Die entsprechenden Deckelelemente 42 werden mit dem Rahmenelement 40 und der Kassetten-Umlenkeinrichtung 22 verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt bzw. verlötet.
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5 lässt erkennen, dass die Deckelelemente 42 eine eine laminare Strömung störende Oberflächengestaltung, vorliegend in Form von Rampen 46 ausbilden. Ersichtlich ist die der Innenfläche 44 gegenüberliegende Außenfläche zur flächigen und wärmeleitenden Anlage der PTC-Heizeinrichtung 5 eben. Die 5 lässt auch erkennen, dass das Deckelelement 42 die Kassetten-Umlenkeinrichtung 22 abdeckt.
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6 zeigt eine Variante eines Deckelelementes 42 mit einer wellenförmigen Oberflächengestaltung 46 zur Störung einer laminaren Strömung auf der Innenfläche 44.
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Die 7 zeigt eine Variante mit verbesserter Wärmeübertragung, allerdings bei leicht erhöhtem Strömungsverlust des durch die elektrische Heizvorrichtung 2 strömenden Mediums.
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Das Ausführungsbeispiel nach 7 hat einen verbreiterten Strömungseinlassabschnitt 48 und einen verbreiterten Strömungsauslassabschnitt 50. Die verbreiterten Abschnitte 48, 50 weisen jeweils die zuvor erwähnten Öffnungen 10, 12 auf und sind mit den Anschlusselementen 18 bzw. den Umlenkeinrichtungen 20 bzw. 22 versehen. Zwischen den jeweiligen Abschnitten 48, 50, die an den Stirnseitenflächen 8 jeweils einen verbreiterten Strömungsquerschnitt haben, ist ein Wärmeübertragungsabschnitt 52 vorgesehen, der im Querschnitt schlitzförmig ausgebildet und somit einen geringeren Strömungsquerschnitt als die Ein- und Auslassabschnitte 48, 50 hat. Dort findet die Übertragung der von der PTC-Heizeinrichtung 5 erzeugten Wärme statt.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- elektrische Heizvorrichtung
- 4
- Kassetten
- 5
- PTC-Heizeinrichtung
- 6
- Stirnseitenfläche
- 8
- Stirnseitenfläche
- 10
- Öffnungen
- 12
- Öffnungen
- 14
- Abdeckkappe
- 16
- Anschlussstutzen
- 18
- Anschlusselement
- 20
- Stapel-Umlenkeinrichtungen
- 22
- Kassetten-Umlenkeinrichtungen
- 24
- Strömungskanal
- 26
- Strömungskanal
- 28
- Trennwand
- 30
- PTC-Element
- 32
- Leiterbahn
- 34
- Anschlussfahnen
- 36
- Verdrahtungs-Leiterplatte
- 38
- bestückte Leiterplatte
- 40
- Rahmenelement
- 42
- Deckelelement
- 44
- Innenfläche
- 46
- Oberflächengestaltung
- 48
- Strömungseinlassabschnitt
- 50
- Strömungsauslassabschnitt
- 52
- Wärmeübertragungsabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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