DE102022125856A1

DE102022125856A1 - Electric heater for heating a fluid

Info

Publication number: DE102022125856A1
Application number: DE102022125856.4A
Authority: DE
Inventors: Falk Viehrig; Jonas Caspar Schwenzer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2022-10-06
Filing date: 2022-10-06
Publication date: 2024-04-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Heizer (100) für ein Fahrzeug zur Erwärmung eines Fluids, der ein fluidführendes Element (101) aufweist, welches im Wärmeaustausch mit dem Fluid steht. Erfindungsgemäß ist das fluidführende Element (101) spiralförmig angeordnet und wird vom Fluid von innen nach außen und/oder von außen nach innen hin durchströmt.The present invention relates to an electric heater (100) for a vehicle for heating a fluid, which has a fluid-conducting element (101) which is in heat exchange with the fluid. According to the invention, the fluid-conducting element (101) is arranged in a spiral shape and the fluid flows through it from the inside to the outside and/or from the outside to the inside.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Heizer zur Erwärmung eines Fluids nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizers sowie ein Verfahren zum Betrieb desselben nach der Gattung der nebengeordneten Patentansprüche beansprucht.The invention relates to an electric heater for heating a fluid according to the preamble of the independent patent claim. Furthermore, a method for producing an electric heater and a method for operating the same according to the preamble of the independent patent claims are claimed.

Die DE10 2004 045 668 A1 offenbart eine elektrisch beheizbare Struktur aus einem elektrisch leitenden Kunststoff, insbesondere mit PTC-Eigenschaften, wobei die Struktur von einem Fluid, insbesondere von Luft durchströmbaren Kanäle und elektrische Anschlüsse aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur als Wabenstruktur ausgebildet ist.The DE10 2004 045 668 A1 discloses an electrically heatable structure made of an electrically conductive plastic, in particular with PTC properties, wherein the structure has channels through which a fluid, in particular air, can flow and electrical connections. The invention is characterized in that the structure is designed as a honeycomb structure.

Die DE10 2007 001 451 A1 offenbart eine Heizvorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, die elektrisch beheizbar ist, wobei die Heizvorrichtung eine luftdurchströmbare Struktur aus mindestens einer elektrisch leitfähigen, luftundurchlässigen Folie aufweist, welche zum Erwärmen von Luft elektrisch beheizbar ist, und die Folie eine Mehrzahl von der zu erwärmenden Luft durchströmbare Kanäle bildet.The DE10 2007 001 451 A1 discloses a heating device, in particular for a motor vehicle, which can be heated electrically, wherein the heating device has an air-flow-through structure made of at least one electrically conductive, air-impermeable film, which can be heated electrically to heat air, and the film forms a plurality of channels through which the air to be heated can flow.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, den beschriebenen elektrischen Heizer bezüglich der Haltbarkeit zu verbessern sowie die Beanspruchung des Fluids zu reduzieren.The present invention is concerned with the task of improving the described electric heater in terms of durability and reducing the stress on the fluid.

Die Erfindung besteht aus einem elektrischen Heizer für ein Fahrzeug zur Erwärmung eines Fluids, der mindestens ein fluidführendes Element aufweist, welches im Wärmeaustausch mit dem Fluid steht. Erfindungsgemäß ist das fluidführende Element spiralförmig angeordnet ist und wird vom Fluid von innen nach außen und/oder von außen nach innen hin durchströmt.The invention consists of an electric heater for a vehicle for heating a fluid, which has at least one fluid-conducting element which is in heat exchange with the fluid. According to the invention, the fluid-conducting element is arranged in a spiral shape and the fluid flows through it from the inside to the outside and/or from the outside to the inside.

Ein elektrischer Heizer besteht aus mindestens einer Heizquelle, in der eine anliegende elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme wird in Form eines Wärmestroms Q an ein Fluid abgegeben. Das Fluid kann flüssig oder gasförmig sein. Vorzugsweise ist das Fluid eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Kühlmittel zum Transport von Wärme. Das Fluid kann direkt oder indirekt zum Erwärmen der Fahrerkabine und/oder Fahrzeugkomponenten, beispielsweise der Batterie oder Elektronikbauteilen, dienen. Das fluidführende Element ist seiner Funktion nach fluidundurchlässig und leitet das Fluid durch den elektrischen Heizer in gewünschter Weise. Durch das fluidführende Element wird ein Strömungskanal ausgebildet, der vom Fluid durchströmt wird. Dies bedingt, dass das Fluid zumindest teilweise an der Oberfläche des fluidführenden Elements entlang strömt, wodurch ein Wärmeaustausch in Form eines Wärmestroms Q über das fluidführende Element an das Fluid erfolgen kann.An electric heater consists of at least one heat source in which an applied electrical energy is converted into heat. This heat is released to a fluid in the form of a heat flow Q. The fluid can be liquid or gaseous. The fluid is preferably a liquid, for example a coolant for transporting heat. The fluid can be used directly or indirectly to heat the driver's cabin and/or vehicle components, for example the battery or electronic components. The fluid-carrying element is functionally impermeable to fluid and guides the fluid through the electric heater in the desired manner. The fluid-carrying element forms a flow channel through which the fluid flows. This means that the fluid flows at least partially along the surface of the fluid-carrying element, whereby heat can be exchanged in the form of a heat flow Q via the fluid-carrying element to the fluid.

Zur Erreichung einer möglichst hohen Effizienz des Heizers ist es wünschenswert, den Wärmestrom Q in das Fluid zu maximieren. Der Wärmestrom Q ist nach dem Fourier'schen Gesetz unter anderem proportional von der Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Heizquelle und dem Fluid abhängig. Da die Eingangstemperatur T_FE des Fluids in der Regel durch die Anwendung im Fahrzeug vorgegeben ist, kann die Temperaturdifferenz nur durch eine Erhöhung der Temperatur der Heizquelle T_H erreicht werden. Damit einher geht jedoch auch das erhöhte Risiko von Zersetzung, insbesondere bei Materialien wie Kunststoff und Klebstoffen, beispielsweise innerhalb des Heizers, aber auch bei vielen Flüssigkeiten, welche beispielsweise als Arbeitsfluid eingesetzt werde. Eine hohe Differenz zwischen der Temperatur im Betrieb und im ausgeschalteten Zustand führt darüber hinaus zu Temperaturwechselbeanspruchungen, die die Alterung des Heizers beschleunigen und sich somit negativ auf dessen Haltbarkeit, insbesondere die Dauerhaltbarkeit, auswirken.In order to achieve the highest possible efficiency of the heater, it is desirable to maximize the heat flow Q into the fluid. According to Fourier's law, the heat flow Q is proportional to the temperature difference ΔT between the heat source and the fluid, among other things. Since the inlet temperature T _FE of the fluid is usually predetermined by the application in the vehicle, the temperature difference can only be achieved by increasing the temperature of the heat source T _H. However, this also entails an increased risk of decomposition, particularly with materials such as plastic and adhesives, for example inside the heater, but also with many liquids that are used as working fluids, for example. A large difference between the temperature during operation and when switched off also leads to thermal cycling, which accelerates the aging of the heater and thus has a negative impact on its durability, in particular its long-term durability.

Durch die erfindungsgemäße spiralförmige Anordnung nimmt das fluidförmige Element beim Betrachten entlang einer Längsachse Z eine Spiral- oder Schneckenform an, die durch ein Zentrum in der Mitte der Spirale und eine äußere Öffnung gekennzeichnet ist. Die Anordnung kann beispielsweise durch Aufrollen oder Aufwickeln des fluidführenden Elements um die Längsachse Z gebildet werden. Die jeweils gegenüberliegenden Lagen der Spirale bilden damit den Strömungskanal für das Fluid aus. Vorzugsweise wird eine einfache Spiralanordnung mit einem Spiralarm gewählt, allerdings sind auch Anordnungen mit zwei oder mehr Spiralarmen möglich, wodurch sich mehrere voneinander getrennte Strömungskanäle ergeben. Die spiralförmige Anordnung des fluidführenden Elements führt dazu, dass die für den Wärmeaustausch mit dem Fluid zur Verfügung stehende Oberfläche bezogen auf den Bauraum des elektrischen Heizers erhöht werden kann. Somit kann bereits bei geringer Temperaturdifferenz ΔT ein großer Wärmestrom Q an das Fluid erzeugt werden, wodurch die Haltbarkeit des elektrischen Heizers und des Fluids vergrößert wird.Due to the spiral arrangement according to the invention, the fluid-shaped element takes on a spiral or snail shape when viewed along a longitudinal axis Z, which is characterized by a center in the middle of the spiral and an outer opening. The arrangement can be formed, for example, by rolling up or winding the fluid-conducting element around the longitudinal axis Z. The respective opposite layers of the spiral thus form the flow channel for the fluid. A simple spiral arrangement with one spiral arm is preferably selected, but arrangements with two or more spiral arms are also possible, resulting in several separate flow channels. The spiral arrangement of the fluid-conducting element means that the surface available for heat exchange with the fluid can be increased in relation to the installation space of the electric heater. Thus, even with a small temperature difference ΔT, a large heat flow Q can be generated to the fluid, thereby increasing the durability of the electric heater and the fluid.

Erfindungsgemäß durchströmt das Fluid entlang der spiralförmigen Anordnung des fluidförmigen Elements den Heizer von der Mitte hin nach außen oder von außen hin zur Mitte. Demnach bewegt sich das Fluid hauptsächlich senkrecht zur Längsrichtung Z und folgt damit dem schneckenartigen Verlauf bzw. dem dadurch ausgebildeten Strömungskanal. Möglich sind auch Kombinationen, bei denen das Fluid das fluidführende Element sowohl von der Mitte hin nach außen als auch von außen hin zur Mitte durchströmt. Die Kombination aus unterschiedlichen Strömungsrichtungen ist insbesondere bei mehr als einem Spiralarm denkbar, wodurch sich entweder ein langer, zusammenhängender Kanal erzielen lässt oder aber mehrere, voneinander getrennte Kanäle. Auch die Verwendung von zwei zueinander gegenläufiger Spiralen, die entlang der Längsachse Z angeordnet sind, können zu einer Kombination aus mehreren Strömungsrichtungen führen.According to the invention, the fluid flows through the heater along the spiral arrangement of the fluid-shaped element from the center to the outside or from the outside to the center. Accordingly, the fluid moves mainly perpendicular to the longitudinal direction Z and thus follows the spiral-like course or the flow channel formed thereby. Combinations are also possible in which the fluid flows through the fluid-carrying element both from the center to the outside and from the outside to the center. outwards and from the outside towards the centre. The combination of different flow directions is particularly conceivable with more than one spiral arm, whereby either a long, connected channel can be achieved or several separate channels. The use of two spirals running in opposite directions and arranged along the longitudinal axis Z can also lead to a combination of several flow directions.

Vorzugsweise ist das Fahrzeug, in dem der elektrische Heizer zum Einsatz kommt, ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug, zum Beispiel ein Batterieelektrisches Fahrzeug oder ein Hybridfahrzeug.Preferably, the vehicle in which the electric heater is used is an at least partially electrically powered vehicle, for example a battery-electric vehicle or a hybrid vehicle.

In einer ersten vorteilhaften Ausführung des elektrischen Heizers weist mindestens ein fluidführendes Element ein Heizelement auf, das vorzugsweise eine elektrische Widerstandsheizfolie ist. Das Heizelement dient als Heizquelle und wandelt eine angelegte elektrische Energie in Wärme um. Der Ausführung nach erfüllt das Heizelement dementsprechend sowohl die Funktion der Führung des Fluids als auch die Funktion der Erwärmung des Fluids.In a first advantageous embodiment of the electric heater, at least one fluid-conducting element has a heating element, which is preferably an electrical resistance heating foil. The heating element serves as a heat source and converts applied electrical energy into heat. According to the embodiment, the heating element accordingly fulfills both the function of guiding the fluid and the function of heating the fluid.

Vorzugsweise ist das Heizelement als elektrische Widerstandsheizfolie ausgeführt. Die Widerstandsheizfolie besteht mindestens aus einem stromführenden, elektrisch beheizbaren Element, beispielsweise ein Widerstandsdraht oder eine Dickschichtwiderstandsspur, und mindestens einer Isolationsfolie, die das stromführende Element elektrisch isoliert und fluiddicht vom Strömungskanal abgrenzt. Als Material für die Folie kommen Stoffe mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und hoher Hitzebeständigkeit, darunter Kunststoffe wie beispielsweise Silikone oder Polyimide (Kapton), in Frage. Weitere Elemente, beispielsweise um der Folie zusätzliche Struktur oder Festigkeit zu geben, sind optional.The heating element is preferably designed as an electrical resistance heating foil. The resistance heating foil consists of at least one current-carrying, electrically heatable element, for example a resistance wire or a thick-film resistance track, and at least one insulation foil that electrically insulates the current-carrying element and separates it from the flow channel in a fluid-tight manner. Materials with low electrical conductivity and high heat resistance, including plastics such as silicone or polyimide (Kapton), can be used as the material for the foil. Other elements, for example to give the foil additional structure or strength, are optional.

In einer zweiten vorteilhaften Ausführung des elektrischen Heizers auf mindestens einem fluidführenden Element ein Heizelement aufgebracht, das vorzugsweise eine Widerstandsheizfolie ist. Demnach erfüllt das Heizelement hauptsächlich die Funktion der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme und das fluidführende Bauteil hauptsächlich die Funktion der Führung des Fluids. Hierdurch wird jedoch nicht ausgeschlossen, dass das fluidführende Element indirekt durch Wärmeleitung vom Heizelement zum Fluid ebenfalls zu dessen Erwärmung beitragen kann.In a second advantageous embodiment of the electric heater, a heating element is applied to at least one fluid-conducting element, which is preferably a resistance heating foil. Accordingly, the heating element mainly performs the function of converting electrical energy into heat and the fluid-conducting component mainly performs the function of guiding the fluid. However, this does not rule out the possibility that the fluid-conducting element can also indirectly contribute to the heating of the fluid by conducting heat from the heating element to the fluid.

Der Ausführung nach ist das Heizelement auf mindestens ein fluidführendes Element aufgebracht. Das Aufbringen stellt eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen beiden Elementen her, die beispielsweise durch Kleben oder Klemmen hergestellt werden, kann. Daraus ergibt sich, dass beide Elemente im Wärmeaustausch miteinander stehen können.According to the design, the heating element is applied to at least one fluid-carrying element. The application creates a positive and/or material connection between the two elements, which can be created, for example, by gluing or clamping. This means that both elements can exchange heat with each other.

Je nach Anordnung kann entweder das Heizelement oder das fluidführende Element oder beide mit dem Fluid in Wärmeaustausch miteinander stehen.Depending on the arrangement, either the heating element or the fluid-carrying element or both can be in heat exchange with the fluid.

Bevorzugt weist das Heizelement Kunststoff auf, besonders bevorzugt aus den Gruppen der Silikone oder Polyimide. Diese Materialien sind bevorzugt, da sie eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen und dadurch isolierend wirken, sowie eine hoher Hitzebeständigkeit aufweisen und damit einen Dauereinsatz bei Temperaturen >100°C, insbesondere bis 230°C ermöglichen.The heating element preferably comprises plastic, particularly preferably from the silicone or polyimide groups. These materials are preferred because they have low electrical conductivity and therefore have an insulating effect, as well as high heat resistance and thus enable continuous use at temperatures >100°C, in particular up to 230°C.

Besonders bevorzugt weist das Heizelement wenigstens einen Widerstandsdraht oder wenigstens einen Dickschicht-Widerstand zur Erwärmung auf. Beide Ausführungen haben gemein, dass sie sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung über ihren Innenwiderstand erwärmen. Ein Widerstandsdraht ist ein metallischer Draht. Ein Dickschicht-Widerstand (auch als Thick Film Resistor, TFR, bezeichnet) besteht aus einer auf einem Trägermaterial aufgebrachten Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material in Form einer Spur.The heating element particularly preferably has at least one resistance wire or at least one thick-film resistor for heating. Both designs have in common that they heat up via their internal resistance when an electrical voltage is applied. A resistance wire is a metallic wire. A thick-film resistor (also known as a thick film resistor, TFR) consists of a layer of an electrically conductive material in the form of a track applied to a carrier material.

Bevorzugt werden Abstandselemente zwischen den spiralförmig angeordneten Lagen des fluidführenden Elements angebracht. Diese haben die Aufgabe, den Abstand zwischen den Lagen der Spiralarme des fluidführenden Elements sicherzustellen und einen Kontakt der beiden gegenüberliegenden Flächen zu vermeiden, wodurch eine zu starke Verengung oder Verschließung des Strömungskanals entstehen könnte. Damit wird auch Form des Strömungskanals erhalten.Preferably, spacer elements are fitted between the spirally arranged layers of the fluid-conducting element. Their task is to ensure the distance between the layers of the spiral arms of the fluid-conducting element and to prevent contact between the two opposing surfaces, which could result in the flow channel becoming too narrow or closed. This also preserves the shape of the flow channel.

Bevorzugt werden Elemente zur Erzeugung einer Turbulenz in den vom Fluid durchströmten Bereich des fluidführenden Elements angeordnet. Die Erzeugung der Turbulenz wird dabei durch Umlenkung des Fluidstroms erzeugt, wodurch der Übergang von Wärme aus dem Heizelement in das Fluid erhöht werden soll. Diese Turbulenz-erzeugenden Elemente können entweder lose oder fest mit dem sie umgebenden fluidführenden Element verbunden sein. Hierfür eignen sich beispielsweise eingelegte Bauteile, die sich durch Ihren Querschnitt am fluidführenden Element abstützen oder mit diesem verbunden sind, beispielsweise durch Kleben oder Klemmen. Ebenfalls denkbar sind Strukturen, beispielsweise Erhebungen oder Vertiefungen, die direkt an bzw. auf dem fluidführenden Element angeordnet sind, beispielsweise durch Prägen oder Stanzen.Preferably, elements for generating turbulence are arranged in the area of the fluid-carrying element through which the fluid flows. The turbulence is generated by redirecting the fluid flow, which is intended to increase the transfer of heat from the heating element into the fluid. These turbulence-generating elements can be either loosely or firmly connected to the fluid-carrying element surrounding them. For example, inserted components are suitable for this, which are supported by their cross-section on the fluid-carrying element or are connected to it, for example by gluing or clamping. Also conceivable are structures such as elevations or depressions that are arranged directly on or at the fluid-carrying element, for example by embossing or punching.

Besonders bevorzugt weist der Heizer ein Gehäuse auf, in dem das fluidführende Element untergebracht ist. Das vorgeschlagene Gehäuse dient der Aufnahme des fluidführenden Elements und kann teilweise auch die Funktion der Führung des Fluids übernehmen. Erfindungsgemäß ist das Gehäuse fluiddicht ausgeführt, es wird also durch für das zum Einsatz kommende Fluid übliche Dichtungsmaßnahmen gegen übermäßige Leckage an die Umgebung abgedichtet. Dies können beispielsweise Dichtungselemente aus Elastomer sein. Das Gehäuse kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein und aus Kunststoff und/oder Metall bestehen. Vorzugsweise weist das Gehäuse eine hauptsächlich zylindrische Form auf, um das spiralförmig angeordnete fluidführende Element optimal aufnehmen zu können.The heater particularly preferably has a housing in which the fluid-carrying element is housed. The proposed housing serves to accommodate the fluid-carrying element and can also partially take on the function of guiding the fluid. According to the invention, the housing is designed to be fluid-tight, i.e. it is sealed against excessive leakage to the environment by sealing measures that are usual for the fluid used. These can be sealing elements made of elastomer, for example. The housing can be constructed in one or more parts and made of plastic and/or metal. The housing preferably has a mainly cylindrical shape in order to be able to optimally accommodate the spiral-shaped fluid-carrying element.

Bevorzugt weist das Gehäuse mindestens einen Zulauf auf, der das Fluid in das Gehäuse des Heizers hineinleitet. Je nach angestrebter Strömungsrichtung erfolgt die Einleitung in die Mitte oder das äußere Ende des spiralförmig angeordneten fluidführenden Elements. Der vorgeschlagene Zulauf kann Bestandteil des Gehäuses sein. Alternativ kann der Zulauf auch aus einem oder mehreren, mit dem Gehäuse fluiddicht verbundenen Bauteilen bestehen. Der Zulauf ist idealerweise so ausgeführt, dass er mit einer Fluidleitung, beispielsweise einem Schlauch, fluiddicht verbunden werden kann. Abhängig von der Anordnung können auch mehrere Zuläufe an unterschiedlichen Stellen des Gehäuses vorgesehen werden.The housing preferably has at least one inlet that guides the fluid into the heater housing. Depending on the desired flow direction, the fluid is introduced into the middle or the outer end of the spirally arranged fluid-conducting element. The proposed inlet can be part of the housing. Alternatively, the inlet can also consist of one or more components that are connected to the housing in a fluid-tight manner. The inlet is ideally designed so that it can be connected to a fluid line, for example a hose, in a fluid-tight manner. Depending on the arrangement, several inlets can also be provided at different points on the housing.

Bevorzugt weist das Gehäuse mindestens einen Ablauf auf, der das Fluid aus dem Gehäuse des Heizers heraus leitet. Je nach angestrebter Strömungsrichtung erfolgt die Ausleitung aus der Mitte oder vom äußeren Ende des spiralförmig angeordneten fluidführenden Elements. Der vorgeschlagene Ablauf kann Bestandteil des Gehäuses sein. Alternativ kann der Ablauf auch aus einem oder mehreren, mit dem Gehäuse fluiddicht verbundenen Bauteilen bestehen. Der Ablauf ist idealerweise so ausgeführt, dass er mit einer Fluidleitung, beispielsweise einem Schlauch, fluiddicht verbunden werden kann. Abhängig von der Anordnung können auch mehrere Abläufe an unterschiedlichen Stellen des Gehäuses vorgesehen werden.The housing preferably has at least one outlet that leads the fluid out of the heater housing. Depending on the desired flow direction, the outlet occurs from the middle or from the outer end of the spirally arranged fluid-conducting element. The proposed outlet can be part of the housing. Alternatively, the outlet can also consist of one or more components that are connected to the housing in a fluid-tight manner. The outlet is ideally designed in such a way that it can be connected to a fluid line, for example a hose, in a fluid-tight manner. Depending on the arrangement, several outlets can also be provided at different points on the housing.

Bevorzugt weist das fluidführende Element Metall und/oder Kunststoff auf. Diese Werkstoffe lassen sich mit technisch und wirtschaftlich einfachem Aufwand in die spiralförmige Anordnung bringen, beispielsweise durch Aufrollen oder Aufwickeln.The fluid-carrying element preferably comprises metal and/or plastic. These materials can be arranged in a spiral shape with technically and economically simple effort, for example by rolling or winding.

In einer vorgeschlagenen Ausführungsform wird das fluidführende Element als extrudiertes Flachrohr oder Falzrohr ausgeführt, welches im Querschnittsprofil einen Hohlraum aufweist. Das Flach- bzw. Falzrohr wird anschließend mit der Querschnittsfläche zur Mitte hinzeigend um eine Längsachse spiralförmig aufgewickelt bzw. aufgerollt. Erfindungsgemäß muss vor diesem Schritt das Heizelement, bevorzugt eine Widerstandsheizfolie, auf eine Seite des Rohres aufgebracht werden. Das Innere des Rohres bildet hierbei einen Strömungskanal, der vom Fluid dem Verlauf folgend von innen nach außen hin durchströmt wird.In a proposed embodiment, the fluid-carrying element is designed as an extruded flat tube or folded tube, which has a hollow space in the cross-sectional profile. The flat or folded tube is then wound or rolled up in a spiral around a longitudinal axis with the cross-sectional area pointing towards the center. According to the invention, the heating element, preferably a resistance heating foil, must be applied to one side of the tube before this step. The interior of the tube forms a flow channel through which the fluid flows from the inside to the outside, following the course.

In einer vorteilhaften Ausführung weist der elektrische Heizer eine flächenspezifische Heizleistung von 1 bis 15 W/cm² auf, vorzugsweise 5 bis 10 W/cm². Die flächenspezifische Heizleistung ist der Quotient aus der elektrischen Energie, die an der Heizquelle anliegt, und der Fläche, mit der das Fluid im Wärmeaustausch steht. Als Fläche werden hierbei sämtliche funktionalen Flächen herangezogen, die zur Wärmeerzeugung dienen, beispielsweise die dem Fluid zugewandte Oberfläche des Heizelements. Nicht berücksichtigt werden hingegen Flächen, die keine wärmeerzeugende Funktion erfüllen, beispielsweise mögliche Gehäusewände, Turbulenz-erzeugende Elemente oder Abstandshalter.In an advantageous embodiment, the electric heater has a surface-specific heating output of 1 to 15 W/cm ² , preferably 5 to 10 W/cm ² . The surface-specific heating output is the quotient of the electrical energy applied to the heat source and the surface with which the fluid is in heat exchange. The surface used here is all functional surfaces that serve to generate heat, for example the surface of the heating element facing the fluid. However, surfaces that do not fulfill a heat-generating function, for example possible housing walls, turbulence-generating elements or spacers, are not taken into account.

Beansprucht wird außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Heizers für ein Fahrzeug zur Erwärmung eines Fluids, der ein fluidführendes Element aufweist, welches im Wärmeaustausch mit dem Fluid steht und spiralförmig angeordnet ist. Hierbei wird elektrischer Strom durch das Heizelement geleitet, was zu einer Erwärmung des Fluids führt. Das Fluid durchströmt den Strömungskanal, der durch das spiralförmig angeordnete fluidführende Element begrenzt wird, von innen nach außen oder von außen nach innen. Eine Variierung der an das Fluid abgegebenen Wärmemenge kann beispielsweise durch Steuerung oder Regelung des elektrischen Stroms erfolgen.A method is also claimed for operating an electric heater for a vehicle for heating a fluid, which has a fluid-conducting element that exchanges heat with the fluid and is arranged in a spiral shape. In this case, electric current is passed through the heating element, which leads to heating of the fluid. The fluid flows through the flow channel, which is delimited by the spiral-shaped fluid-conducting element, from the inside to the outside or from the outside to the inside. The amount of heat given off to the fluid can be varied, for example, by controlling or regulating the electric current.

Beansprucht wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizers für ein Fahrzeug zur Erwärmung eines Fluids, der ein fluidführendes Element aufweist, welches im Wärmeaustausch mit dem Fluid steht und spiralförmig angeordnet ist. Hierbei wird die spiralförmige Anordnung das fluidführenden Elements durch entsprechende Umformung, beispielsweise durch Aufwickeln oder Aufrollen, erreicht.Also claimed is a method for producing an electric heater for a vehicle for heating a fluid, which has a fluid-conducting element which is in heat exchange with the fluid and is arranged in a spiral shape. The spiral arrangement of the fluid-conducting element is achieved by appropriate deformation, for example by winding or rolling up.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Diese zeigen, jeweils schematisch:

1 einen elektrischen Heizer bestehend aus einem spiralförmig angeordneten, fluidführenden Element welches ein Heizelement aufweist,
2 einen elektrischen Heizer bestehend aus einem spiralförmig angeordneten, fluidführenden Element, auf welches ein Heizelement aufgebracht ist,
3 eine Widerstandsheizfolie,
4 einen elektrischen Heizer bestehend aus einem fluidführenden Element, das in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse einen Zulauf sowie einen Ablauf aufweist,
5 unterschiedliche Anordnungen von Zulauf und Ablauf an einem Gehäuseeines elektrischen Heizers,
6 eine Anordnung eines fluidführenden Elements mit unterschiedlichen Strömungsrichtungen des Fluids,
7 ein spiralförmig angeordnetes Flachrohr mit aufgebrachtem Heizelement.

Further details and advantages of the present invention emerge from the following description of embodiments in conjunction with the drawings. These show, each schematically:

1 an electric heater consisting of a spirally arranged, fluid-carrying element which has a heating element,
2 an electric heater consisting of a spirally arranged, fluid-carrying element to which a heating element is applied,
3 a resistance heating foil,
4 an electric heater consisting of a fluid-carrying element arranged in a housing, the housing having an inlet and an outlet,
5 different arrangements of inlet and outlet on a housing of an electric heater,
6 an arrangement of a fluid-carrying element with different flow directions of the fluid,
7 a spirally arranged flat tube with an attached heating element.

1 zeigt einen elektrischen Heizer 100 bestehend aus einem spiralförmig angeordneten, fluidführenden Element 101 welches ein Heizelement 102 aufweist. Diese sind als ein Bauteil ausgeführt, welches um eine Längsachse Z 104 aufgewickelt bzw. aufgerollt wurde und damit einen spiralförmigen Strömungskanal 103 ausbilden. Da beide Seiten des Heizelements mit dem Fluid in Kontakt stehen, kann ein Wärmeaustausch über den Wärmestrom 1 und Wärmestrom 2 erfolgen. Um die einzelnen Lagen der Spirale zu trennen und damit den Strömungskanal stets für das Fluid durchströmbar zu halten, sind Abstandshalter 105 angebracht. Das Fluid wird in der Spiralmitte 106 in den elektrischen Heizer eingeleitet und durchströmt den Strömungskanal 103 zum Spiralaußenende 107 hin wo es den Heizer 100 schließlich verlässt. 1 shows an electric heater 100 consisting of a spirally arranged, fluid-carrying element 101 which has a heating element 102. These are designed as a component which has been wound or rolled up around a longitudinal axis Z 104 and thus form a spiral-shaped flow channel 103. Since both sides of the heating element are in contact with the fluid, heat exchange can take place via heat flow 1 and heat flow 2. Spacers 105 are attached to separate the individual layers of the spiral and thus to always keep the flow channel open for the fluid. The fluid is introduced into the electric heater in the spiral center 106 and flows through the flow channel 103 to the spiral outer end 107 where it finally leaves the heater 100.

2 zeigt einen elektrischen Heizer 100 bestehend aus einem fluidführenden Element 101 und einem darauf aufgebrachten Heizelement 102. Das fluidführende Bauteil ist um eine Längsachse Z 104 spiralförmig ausgeformt. In der gezeigten Ausführungsform ist das Heizelement 102 auf die der Spiralmitte zugewandten Seite des fluidführenden Elements 101 aufgebracht, beispielsweise durch Kleben. Hierdurch entsteht ein asymmetrischer Wärmeübertrag in das Fluid. Einerseits durch die dem Fluid zugewandte Oberfläche des Heizelements, wo eine direkte Abgabe der Wärme an das Fluid erfolgt. Zum anderen durch Wärmeleitung in die entgegengesetzte Richtung durch das fluidführende Element über die dem fluid zugewandte Seite des fluidführenden Elements. Die indirekte Wärmeabgabe an das Fluid über das fluidführende Element ist in der Regel geringer als die direkte Wärmeabgabe an das Fluid über das Heizelement selbst. Die Strömungsrichtung 108 verläuft im gezeigten Fall vom Spiralaußenende 107 zur Spiralmitte 106 hin. 2 shows an electric heater 100 consisting of a fluid-conducting element 101 and a heating element 102 applied thereto. The fluid-conducting component is formed in a spiral shape around a longitudinal axis Z 104. In the embodiment shown, the heating element 102 is applied to the side of the fluid-conducting element 101 facing the spiral center, for example by gluing. This creates an asymmetrical heat transfer into the fluid. On the one hand, through the surface of the heating element facing the fluid, where the heat is directly released to the fluid. On the other hand, through heat conduction in the opposite direction through the fluid-conducting element via the side of the fluid-conducting element facing the fluid. The indirect heat release to the fluid via the fluid-conducting element is generally less than the direct heat release to the fluid via the heating element itself. In the case shown, the flow direction 108 runs from the spiral outer end 107 to the spiral center 106.

3 zeigt eine Widerstandheizfolie 200 bestehend aus einem Widerstandsdraht 201, welcher von einer isolierenden Folie 202 umgeben ist. Um eine möglichst große Oberfläche abzudecken ist der Draht 201 mäanderförmig angeordnet, wodurch mehr Drahtlänge und damit mehr Oberfläche zur Wärmeübertragung zur Verfügung steht. 3 shows a resistance heating foil 200 consisting of a resistance wire 201, which is surrounded by an insulating foil 202. In order to cover as large a surface as possible, the wire 201 is arranged in a meandering shape, whereby more wire length and thus more surface area is available for heat transfer.

4 zeigt einen elektrischen Heizer 300 bestehend aus einem fluidführenden Element 304, das in einem Gehäuse 301 angeordnet ist, wobei das Gehäuse 301 einen Zulauf 302 sowie einen Ablauf 303 aufweist. Der Zulauf 302 ist derart mit dem Gehäuse 301 verbunden, dass das Fluid zur Spiralmitte 305 hin in das Gehäuse 301 eingeleitet wird. Der Ablauf 303 ist derart mit dem Gehäuse 301 verbunden, dass das Fluid vom Spiralaußenende 306 des spiralartig angeordneten fluidführenden Elements 304 aus dem Gehäuse 301 ausgeleitet wird. Daraus ergibt sich die Strömungsrichtung derart, dass das Fluid das fluidführende Element 304 von innen nach außen hin durchströmt. 4 shows an electric heater 300 consisting of a fluid-conducting element 304 which is arranged in a housing 301, wherein the housing 301 has an inlet 302 and an outlet 303. The inlet 302 is connected to the housing 301 in such a way that the fluid is introduced into the housing 301 towards the spiral center 305. The outlet 303 is connected to the housing 301 in such a way that the fluid is led out of the housing 301 from the spiral outer end 306 of the spirally arranged fluid-conducting element 304. This results in the flow direction being such that the fluid flows through the fluid-conducting element 304 from the inside to the outside.

5 zeigt eine alternative Anordnungen für einen elektrischen Heizer 300, bestehend aus einem Gehäuse 301 und einem Zulauf 302 sowie einem Ablauf 303, wobei sowohl der Zulauf 302 als auch der Ablauf 303 derart an das Gehäuse 301 angebunden sind, dass das Fluid jeweils zur Mitte 305 eines spiralförmigen Elements 304 ein und ausgeleitet werden. Um in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein direktes Abfließen vom Zulauf 302 zum Ablauf 303 zu vermeiden, kommen zwei fluidführende Elemente 304 zum Einsatz, welche übereinander im Gehäuse 301 angeordnet sind. Zwischen den fluidführenden Elementen 304 ist ein Trennelement 307 angeordnet, dass das Gehäuse 301 in zwei fluiddicht voneinander getrennte Bereiche aufteilt. Durch eine Öffnung im Trennelement 307 werden die jeweils spiraläußeren Bereiche der fluidführenden Elemente 304 fluidisch miteinander verbunden, sodass in dem mit dem Zulauf 302 verbundenen Bereich eine Strömungsrichtung von innen nach außen hin und in dem mit dem Ablauf 303 verbundenen Bereich eine Strömungsrichtung von außen nach innen entsteht. Alternativ kann anstelle der beiden fluidführenden Elemente 304 auch die in 6 gezeigte Anordnung aus einem fluidführenden Element 304 mit zwei Spiralarmen eingesetzt werden. 5 shows an alternative arrangement for an electric heater 300, consisting of a housing 301 and an inlet 302 and an outlet 303, wherein both the inlet 302 and the outlet 303 are connected to the housing 301 in such a way that the fluid is fed in and out to the center 305 of a spiral-shaped element 304. In order to avoid a direct flow from the inlet 302 to the outlet 303 in the embodiment shown, two fluid-conducting elements 304 are used, which are arranged one above the other in the housing 301. A separating element 307 is arranged between the fluid-conducting elements 304, which divides the housing 301 into two fluid-tight, separate areas. Through an opening in the separating element 307, the respective spiral outer regions of the fluid-conducting elements 304 are fluidically connected to one another, so that in the region connected to the inlet 302 a flow direction from the inside to the outside is created and in the region connected to the outlet 303 a flow direction from the outside to the inside is created. Alternatively, instead of the two fluid-conducting elements 304, the 6 shown arrangement consisting of a fluid-conducting element 304 with two spiral arms can be used.

6 zeigt schematisch den beispielhaften Aufbau eines fluidführenden Elements 304, das spiralförmig angeordnet ist und zwei Spiralarme aufweist. Hierdurch werden zwei Strömungskanäle ausgebildet, die unterschiedliche Strömungsrichtungen erlauben. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind Zulauf 302 und Ablauf 303 in der Mitte angeordnet. 6 shows schematically the exemplary structure of a fluid-conducting element 304, which is arranged in a spiral shape and has two spiral arms. This forms two flow channels that allow different flow directions. In the embodiment shown, inlet 302 and outlet 303 are arranged in the middle.

7 zeigt einen Heizer 400 bestehend aus einem Flachrohr 401 auf welches ein Heizelement 402, beispielsweise eine Widerstandsheizfolie, aufgebracht wurde und dessen innerer Hohlraum einen Strömungskanal 403 ausbildet durch den das Fluid geleitet wird. Das Flachrohr 401 wird spiralförmig um eine Längsachse 404 gebogen, wodurch bei der Betrachtung entlang der Längsachse eine spiral- oder schneckenform erkennbar ist. 7 shows a heater 400 consisting of a flat tube 401 onto which a heating element 402, for example a resistance heating foil, has been applied and whose inner cavity forms a flow channel 403 through which the fluid is guided. The flat tube 401 is bent in a spiral shape around a longitudinal axis 404, whereby a spiral or snail shape can be seen when viewed along the longitudinal axis.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100: HeizerHeater
101101: Fluidführendes ElementFluid-carrying element
102102: HeizelementHeating element
103103: StrömungskanalFlow channel
104104: Längsachse ZLongitudinal axis Z
105105: AbstandshalterSpacers
106106: SpiralmitteSpiral center
107107: SpiralaußenendeSpiral outer end
108108: Strömungsrichtung des FluidsFlow direction of the fluid
109109: Erste WärmestromrichtungFirst heat flow direction
110110: Zweite WärmestromrichtungSecond heat flow direction
200200: WiderstandsheizfolieResistance heating foil
201201: WiderstandsdrahtResistance wire
202202: Foliefoil
300300: HeizerHeater
301301: GehäuseHousing
302302: ZulaufIntake
303303: AblaufSequence
304304: Fluidführendes ElementFluid-carrying element
305305: SpiralmitteSpiral center
306306: SpiralaußenendeSpiral outer end
307307: TrennelementSeparating element
308308: Öffnung im TrennelementOpening in the separator
400400: HeizerHeater
401401: FlachrohrFlat tube
402402: HeizelementHeating element
403403: StrömungskanalFlow channel
404404: LängsachseLongitudinal axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004045668 A1 [0002]
DE 102007001451 A1 [0003]

Claims

An electric heater (100) for a vehicle for heating a fluid, comprising at least one fluid-conducting element (101) which is in heat exchange with the fluid, characterized in that the fluid-conducting element (101) is arranged in a spiral shape and the fluid flows through the fluid-conducting element (101) from the inside to the outside and/or from the outside to the inside.

Heater after Claim 1 characterized in that at least one fluid-conducting element (101) has a heating element (102), preferably a resistance heating foil (200).

Heater after Claim 1 characterized in that a heating element (102), preferably a resistance heating foil (200), is applied to the fluid-conducting element (101).

Heater after Claim 2 or 3 characterized in that the heating element (102) comprises plastic, preferably silicone or polyimide.

Heater according to one of the preceding claims, characterized in that the heating element (102) has at least one resistance wire (201) or at least one thick-film resistor for heating.

Heater after Claim 2 , 4 or 5 characterized in that spacer elements (105) are present between the spirally arranged layers of the heating element (102).

Heater after Claim 3 , 4 or 5 characterized in that elements or structures for generating turbulence are present in the region (103) of the fluid-conducting element (101) through which the fluid flows.

Heater according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid-conducting element (304) is surrounded by a fluid-tight housing (301).

Heater after Claim 8 characterized in that the housing (301) has at least one inlet (302) which guides the fluid into the housing (301).

Heater after Claim 8 characterized in that the housing (301) has at least one outlet (303) which leads the fluid out of the housing (301).

Heater according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid-carrying element (101) comprises plastic and/or metal.

Heater according to one of the preceding claims, characterized in that the fluid-conducting element (101) is an extruded flat tube (401) or a folded tube and the fluid flows through the interior of the tube (403).

Heater according to one of the preceding claims, characterized in that the heater (100) has a surface-specific heating output of 1 to 15 W/cm ² , preferably 5 to 10 W/cm ² .

Method for operating a heater (100) for an electrically powered vehicle for heating a fluid, having a fluid-conducting element (101) which is in heat exchange with the fluid, characterized in that the fluid-conducting element (101) is arranged in a spiral shape and the fluid flows through the fluid-conducting element (101) from the inside to the outside and/or from the outside to the inside.

Method for producing a heater (100) for an electrically driven vehicle for heating a fluid, comprising a fluid-conducting element (101) which is in heat exchange with the fluid, characterized in that the fluid-conducting element (101) is arranged in a spiral shape and the fluid flows through the fluid-conducting element (101) from the inside to the outside and/or from the outside to the inside.