DE10229547A1

DE10229547A1 - Vorrichtung und Regelverfahren zur elektrischen Luftbeheizung mit Wärmetauscherrippen als Widerstandsheizdraht

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Publication number: DE10229547A1
Application number: DE2002129547
Authority: DE
Inventors: Johann Dr.-Ing. Himmelsbach
Original assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Current assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-01-15

Abstract

Bei einer Heizvorrichtung zur direkten Beheizung der durch ein Heizgerät geförderten Luft oder zur Dissipation elektrischer Energie, mittels eines elektrischen Stroms, der durch mindestens einen Heizwiderstand fließt und dadurch dessen Oberfläche erwärmt, welche gleichzeitig die maßgebliche luftseitige Wärmeübertragungsfläche ist, wird der Heizwiderstand aus zwei oder mehr Lagen als Zickzackband gefalteter Heizrippen 2 gebildet, die durch Zwischenlagen eines elektrisch isolierenden Materials 4 separiert und mechanisch stabilisiert werden. Der elektrische Strom fließt hierbei längs des Zickzackbandes, während die Luft primär senkrecht dazu durch die aus den Heizrippen 2 und die Zwischenlagen 4 gebildeten Strömungskanäle strömt. DOLLAR A Die robuste Ausführung und bei Bedarf ein sehr hoher Sicherheitsabstand gegen Durchglühen der Heizwiderstände sowie das vorgestellte Verfahren zur Regelung bzw. Sicherheitsüberwachung ermöglichen es, die Heizung als kostengünstigen Ersatz heutiger KFZ-PTC-Zuheizer zu verwenden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizvorrichtung und ein Regelvertahren zur direkten Beheizung der durch ein Heizgerät geförderten Luft oder zur Dissipation el. Energie, mittels eines elektrischen Stroms, der durch mindestens einen Heizwiderstand fließt und dadurch dessen Oberfläche erwärmt, welche gleichzeitig die maßgebliche luftseitige Wärmeübertragungsfläche ist, insbesondere auf eine Heizvorrichtung für die Beheizung der Fahrgastkabinenluft von KFZ mit Niedervolt-Bordspannungsnetz.
Es ist bekannt, zur Beheizung der Luft in Heizgeräten und zur Dissipation el. Überschussenergie elektrisch beheizte Widerstandsdrähte einzusetzen.
So nutzen elektrische Heizlüfter im Haushalt Widerstandsheizdrähte schon lange, indem ein Gebläse Luft über Heizdrähte fördert und erwärmt. Dabei werden i.a. relativ hohe Heizdrahttemperaturen nötig, was speziell im Bereich erhöhter Anforderungen bezüglich Betriebssicherheit und Explosionsschutz dazu geführt hat, dass inzwischen bei vielen Anwendungen sogenannte PTC-Heizungen zum Einsatz kommen. Insbesondere sind hier Anwendungen weit verbreitet, bei denen die PTC-Keramik durch den elektrischen Strom erwärmt wird und die Wärme über engmaschige Aluminiumrippen, die unter Zwischenlegen einer Aluminiumkontaktierungsplatte an die metallisierte PTC-Oberfläche angepresst werden, an die Luft abgibt. Derartige Systeme sind einerseits sehr betriebssicher, da die PTC-Keramik bei Überschreiten einer oberen Grenztemperatur von beispielsweise 160°C eine starke Widerstandszu- bzw. eine starke Leistungsabnahme aufweist. Ein Überhitzen über diese Grenztemperatur ist in der Praxis auch bei unerwartetem Gebläseausfall nicht möglich. Andererseits sind die Kosten für die PTC-Keramiken und den aufwändigen Aufbau mit Positionierung der PTC-Keramiken einschließlich definiertem elektrischem und mechanischem Kontakt mit den zusätzlichen Aluminiumrippen nicht unerheblich.
Wie die zunehmende Anwendung von PTC-Heizungen am Markt aber eindeutig zu belegen scheint, überwiegen nach heutiger Einschätzung der Fachwelt die Vorteile der PTC-Heizung im Vergleich zu konvenzionellen Widerstandsdrahtheizungen bei vielen Anwendungen. Dies betrifft zum einen elektrische Heizungen im Haushalt und in der Industrie, in ganz eindrucksvoller Weise aber die el. Zusatzheizungen zur Beheizung der Kabinenluft in KFZ. Bei luftseitiger Zuheizung sind hier bisher ausschließlich PTC-Heizungen im Einsatz, verbunden mit vergleichsweise hohen Kosten. Dabei ist insbesondere bemerkenswert, dass die Selbstregelungseigenschaften der PTC-Heizungen im KFZ i.a. nicht dazu benutzt werden können, um die Kosten für eine Leistungsstufung bzw. Leistungsregelung einzusparen. Dies liegt nicht zuletzt an der schwankenden Verfügbarkeit an e1. Leistung für Heizzwecke, je nach Motor- und damit Generatordrehzahl und je nach Bordnetzauslastung.
Darüber hinaus sind die Selbstregelungseigenschaften der PTC-Heizung für zukünftige Fahrzeugheizkonzepte vielfach sogar ein Nachteil, da der automatische Abfall der PTC-Leistung bei erhöhten Lufteintrittstemperaturen und reduzierten Luftmassenströmen nicht immer erwünscht ist.
Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Vorrichtung die Aufgabe, eine kostengünstige e1. Widerstandsheizung ohne die Verwendung teurer PTC-Keramiken bereitzustellen, die es erlaubt die erforderliche Heizleistung bzw. die Dissipation überschüssiger e1. Energie bei Einhaltung der aus sicherheitstechnischen Gründen zulässigen maximalen Oberflächentemperaturen zu realisieren und die es erlaubt, durch den Einbau anwendungsspezifischer Sicherheitsmechanismen die gleiche oder gar eine bessere Betriebssicherheit zu erreichen, wie dies bei Verwendung von PTC-Heizwiderständen der Fall wäre.
Insbesondere sollen dabei im Wechselspiel mit den anwendungsspezifischen Sicherheitsmechanismen und Regelverfahren hohe lokale Spitzentemperaturen im störungsfreien Betrieb ebenso vermieden werden, wie beim Auftreten von Betriebsstörungen, z.B. bei unbemerktem Abfall des Luftdurchsatzes. Dabei soll nach Möglichkeit auch der PTC-spezifische Leistungsabfall bei erhöhten Lufteintrittstemperaturen und reduzierten Luftmassenströmen eliminiert oder zumindest stark reduziert werden.
Diese Aufgabe wird mit der Heizvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Dabei führt die homogene Beaufschlagung der zickzackförmigen Heizrippen 2 mit e1. Strom auf eine weitgehend homogene Heizleistung pro Kühlrippenfläche, so dass im Gegensatz zum PTC-Heizer Inhomogenitäten durch Wärmeleitvorgänge innerhalb der PTC-Keramik selbst, an den Kontaktierungsflächen PTC-Keramik/Aluminiumkontaktierungsplatte/Aluminiumkühlrippe sowie auch innerhalb der Aluminiumkontaktierungsplatte und der Aluminiumverrippung weitgehend entfallen.
Senkrecht zu den Heizrippen 2, d.h. bei zwangsdurchströmten Heizrippen in Lufthauptströmungsrichtung, bildet sich zwar der aus Grenzschicht- bzw. Spaltströmungen bekannte Abfall des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten aus, doch hilft hier bei anwendungsgerechten Bautiefen – für den Ersatz von 1 kW-PTC-Zuheizern im KFZ sind das z.B. in der Regel 5–20 mm – zum einen die Wärmeleitung in den Heizrippen 2 für eine weitgehende Homogenisierung. Zum andern besteht i.a. ein relativ großer Sicherheitsabstand zu den zul. maximalen Rippentemperaturen, so dass selbst relativ große Gradienten des Wärmeübergangskoeffizienten noch ausgeglichen werden können bzw. i.a. nicht auf eine Überschreitung der maximal zulässigen Rippentemperatur führen.
Dennoch ist es zur weiteren Homogenisierung der Temperaturverteilung in Luftströmungsrichtung ebenso wie in Richtung des die Heizrippen bildenden Zickzackbandes vorteilhaft, die Zwischenlage 4 aus gut wärmeleitendem Material auszubilden. Darüber hinaus ist es in diesem Zusammenhang besonders effektiv und erweitert bei Bedarf die spezifische Leistung bei gegebener Grenztemperatur, wenn durch später noch genauer beschriebene Turbulatoren bzw. Louvres gemäß 4 der Wärmeübergang in Luftströmungsrichtung durch immer wieder neu anlaufende Strömungs- und Temperaturgrenzschichten vergleichmäßigt wird.
Die großzügige Dimensionierung der Wärmeübertragungsfläche mittels des engmaschigen Heizrippendesigns sowie der gute Wärmeübergang und damit die geringe Temperaturdifferenz zwischen Luft und Heizrippen erlauben somit als ganz besonderer Vorteil eine höhere spezifische Leistung bei vorgegebener maximaler Materialtemperatur und vorgegebenem Druckverlust bzw. Materialaufwand und Gewicht für den Wärmeübergang. Dies stellt für sich allein betrachtet bereits einen Kosten und Gewichtsvorteil dar, ganz abgesehen von den Kosten für die PTC-Keramikelemente sowie deren Einbettung.
Das spezifische Design des erfindungsgemäßen Heizwiderstands weist im Gegensatz zu konvenzionellen Heizwiderständen aus gewickeltem Widerstandsheizdraht den großen Sicherheitsvorteil auf, dass sich durch das niedrigere Arbeitstemperaturniveau sowie die Wärmeleitvorgänge in den Heizrippen 2 und in den Zwischenlagen 4 auch lokale Störungen weniger stark auswirken. Bei konvenzionell gewickeltem Widerstandsheizdraht führen im Gegensatz hierzu lokale Störungen, wie z.B. lokal gestörte Luftströmung, Inhomogenitäten des Widerstandsmaterials bzw. der Heizdrahtstärke, Strömungsnachläufe einzelner Drähte oder Drahtberührung vielfach zwangsläufig zum Überschreiten der Temperaturgrenzwerte bis hin zum Durchglühen der Drähte. Dies tritt bereits bei den üblichen Heizwiderstandsmaterialien mit geringem Temperaturkoeffizienten des el. Widerstands häufig ein, ist jedoch noch wesentlich kritischer in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Verfeinerungen und Kosteneinsparungen zu sehen, die ganz bewusst für manche Anwendungen z.B. Aluminium vorsehen: An Stellen mit Temperaturüberhöhungen steigt bei Aluminium – ohne größere Veränderung der Gesamtleistung und damit i.a. unbemerkt – der lokale Widerstand und damit die lokale Heizleistung. Diese selbstverstärkende Wirkung bis hin zum Durchglühen des Aluminiums oder zumindest dem lokalen Überschreiten der zulässigen Oberflächentemperatur kann durch die erfindungsgemäßen Gestaltungsmerkmale mit ausreichender Sicherheit beherrscht werden.
Grundsätzlich ist der erfindungsgemäße Heizwiderstand bei vergleichbarer Geometrie und gleichem Gewicht kühler als ein PTC-Heizwiderstand gleicher Leistung und weist einen größeren Sicherheitsabstand gegenüber potenziellen Temperaturbegrenzungen auf, die z.B. durch die Schädigung von Kunststoffbauteilen in Fahrzeugheizungen oder entzündliche Gase definiert sind. Speziell in KFZ ist eine derartige Widerstandsheizung angesichts der begrenzten Bordspannung und e1. Leistung nur durch erhebliche Systemstörungen auf überhöhte Temperaturen zu bringen. Schon sehr kleine Luftmassenströme, wie sie bereits bei geringer Fahrgeschwindigkeit selbst bei völligem Gebläseausfall vorliegen, genügen zur sicheren Wärmeabfuhr. Je nach Einbausituation und installierter Leistung genügt sogar bereits natürliche Konvektion.
Zur weiteren Verbesserung schlägt eine besonders sichere Ausgestaltung vor, die Zwischenlagen 4 aus Materialien mit ausgewählt guten Wärmeleitungseigenschaften zu bilden. Dies führt über die gute Wärmeleitung zu einer Reduktion gegen lokale Temperaturspitzen, die sich dadurch ergeben können, dass lokal ein reduzierter Luftdurchsatz oder eine Fertigungsstreuung vorliegt. Ohne diese Maßnahme muss der Temperaturausgleich vorwiegend entlang des langen Weges über den dünnen Zickzackdraht erfolgen, was bei lokalen Luftdurchsatzunterschieden naturgemäß zu erhöhten Temperaturgradienten führt. Aber auch wenn über die Kanalgeometrie, Siebe, Filter oder im KFZ durch vorgeschaltete wasserseitige Wärmetauscher eine gleichmäßige Strömungsbeaufschlagung ohne lokales Verschmutzungs- bzw. Strömungsverblockungsrisiko sichergestellt ist, so ergibt sich durch die gute Wärmeleitung in den Zwischenlagen eine Verbesserung der Betriebssicherheit und eine reduzierte Sensibilität gegenüber Material- und Fertigungstoleranzen.
Gleichzeitig vereinfacht sich mit der guten Wärmeleitung der Zwischenlagen 4 der Einbau der Heizdrähte, da selbst lokale Totwassergebiete der Strömung problemlos mittels Wärmeleitung überbrückt werden, ohne dass mit einer starken lokalen Überhitzung des Heizdrahts gerechnet werden muss. Diese Eigenschaft vereinfacht insbesondere auch den Übergang von konventionellen Widerstandsmaterialien mit nur sehr geringem Temperaturkoeffizienten des el. Widerstands auf konvenzionelle Wärmetauschermaterialien wie Aluminium, Kupfer oder Messing. Diese Matereialien sind nicht nur wesentlich preiswerter sondern weisen neben einer besseren e1. Leitfähigkeit auch eine bessere Temperaturleitfähigkeit und eine bessere Verarbeitbarkeit auf. Insbesondere können für die Fertigung der erfindungemäßen Zickzackbänder aus dem Wärmetauscherbau bereits verfügbare Maschinen, Werkzeuge und Metallbänder ohne jegliche Veränderung übernommen werden. Vielfach genügt es sogar, bereits verfügbare Wärmetauscherrippen als Heizrippen 2 zu verwrenden, was nicht zuletzt das Investment für den Serienanlauf der Heizungsfertigung reduziert.
Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße Heizwiderstand nicht nui aus Leistungsund Gewichtsgründen besonders attraktiv, sondern auch deshalb, weil speziell bei der Verwendung von z.B. Kupfer, Messing oder Aluminium als Heizdrahtmaterial mit nur einem Plus- und Minuskontakt für die Leistungszufuhr eine relativ große el. Leistung umgesetzt werden kann, wobei im Gegensatz zu konvenzionellem Widerstandsdraht wie z.B. CuNi oder Konstantan bei Verwendung gleich dünner Drähte bzw. Bleche eine aufwändigere Parallelschaltung jeweils kontaktiert werden muss.
Konvenzioneller Widerstandsdraht wurde bisher nicht zuletzt deshalb stark bevorzugt, weil er aufgrund der geringen Temperaturabhängigkeit des el. Widerstands weniger Risiko bezüglich lokaler Überhitzung in sich birgt. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Heizwiderstands ist dies jedoch weitgehend gegenstandslos, da sich problemlos und mit nur geringem Gewicht und geringen Kosten eine sehr große Wärmetauscherfläche realisieren lässt. Damit kann insbesondere sichergestellt werden, dass sich der Heizdraht nur sehr wenig erwärmt, so dass die Temperaturabhängigkeit des e1. Widerstand kaum ins Gewicht fällt, sowie auslegungsbedingt ein sehr großer Sicherheitsabstand gegen Überhitzen bzw. Durchglühen des Drahts vorliegt.
Darüber hinaus stellt die besondere Ausgestaltung mit den wärmeleitenden Zwischenlagen 4 eine ganz besonders homogene Temperaturverteilung sicher, was das Überhitzungsrisiko zusätzlich herabsetzt und z.B. eine problemlose Verwendung von Aluminium als Widerstandsmaterial ermöglicht.
Des weiteren kann vor diesem Hintergrund selbst bei Verwendung von Aluminium als Heizrippen mit sehr engem Rippenabstand von mehr als 5 Rippen pro Zentimeter gearbeitet werden. Basierend auf den Kenntnissen aus dem KFZ-Heizungswärmetauscherbau sind sogar noch höhere Rippendichten bis zu 15 Aluminiumheizrippen pro Zentimeter und mehr kosteneffektiv und sicher beherrschbar, wobei bevorzugt gleichzeitig auch die Integration von Louvres gemäß 4 zur Maximierung der spez. Wärmeabgabe erfolgt. Je nach umzusetzender el. Leistung wird ein derart ausgestalteter el. Heizwiderstand bevorzugt aus ähnlichen Rippengeometrien ausgebaut wie Kühler bzw. Heizungswärmetauscher, so dass sich ein Verhältnis zwischen Heizrippengesamtlänge, d.h. Widerstandslänge an der die Versorgungsspannung anliegt, zu Rippentiefe von mehr als 50 ergibt. Bei Hochleistungsanwendungen mit Aluminium oder Kupfer kann dieses Verhältnis auf Werte von 1000 und noch deutlich mehr ansteigen. Bei anderen Materialien mit deutlich höherem el. Widerstand und gegebenenfalls der Notwendigkeit der Parallelschaltung sinkt zwar dieses Verhältnis aber – abgesehen vom nicht zu unterschätzenden baulichen und sicherheitstechnischen Mehraufwand der Parallelschaltung – lassen sich auch hier hohe Leistungsdichten bei geringer Temperaturüberhöhung realisieren.
Als besonders effektives Ausführungsbeispiel zeigt 1 einen erfindungsgemäßen Heizwiderstand mit nur zwei el. Leistungskontaktierungen 1 und 3 und dem Zickzackband 2 als Heizdraht, wie er insbesondere sehr gut dazu geeignet ist, aus dem KFZ bekannte PTC-Zuheizer hinter dem wasserseitigen Kabinenwärmetauscher zu ersetzen. Als Zickzackband 2 dienen hier konvenzionelle Wärmetauscherrippen eines Aluminiumwärmetauschers oder gegebenenfalls auch eines Kupfer- bzw. Messingwärmetauschers, die mittels der Zwischenlagen 4 aus el. isoliertem Aluminium wärmeleitend separiert werden. Die Rahmenelemente 5a und 5b sorgen mit einem entsprechenden Anpressdruck für die thermische Kontaktierung und die mechanische Stabilisierung.
Die Abmessungen der am Markt bereits verfügbaren Wärmetauscherrippen, insbesondere die Dicken im 0,1 mm-Bereich sowie die verfügbaren Breiten lassen eine sehr genaue Leistungsanpassung z.B. auf 0,5–2 kW bei 14V bzw. 48 V im PKW zu. Dabei wird die Anpassung insbesondere auch dadurch vereinfacht, dass das Temperaturniveau des Wärmeübergangs nur sehr wenig über dem Mittelwert aus Luftein- und Luftaustrittstemperatur liegt, so dass sich durch einfache Variation des Zickzackwinkels eine Leistungsanpassung ohne Überhitzungsrisiko realisieren lässt. Für Großserien kann natürlich auch auf eine Spezialanfertigung der Rippen übergegangen werden. Dies kann zur Leistungsoptimierung vorteilhaft sein, aber auch zur Verwrendung von Materialien mit einem reduzierten Temperaturkoeffizienten des e1. Widerstands wie z.B. Messing CuZn20.
Ein derart ausgestalteter Ersatz für PTC-Zuheizer im KFZ bietet neben reduzierten Bauteilkosten eine erhöhte spezifische Leistung pro Bauvolumen und Gewicht sowie eine kostengünstigere Leistungsregelung.
Die Vorteile bei der Leistungsregelung liegen zum einen in der wesentlich geringeren kapazitiven Last, d.h. geringeren Leistungsspitzen beim Ein- und Ausschalten bzw. bei der Pulsweitenregelung, begründet, zum andern an nicht benötigten Sicherheitsreserven der el. Schalter beim Warmstart.
Darüber hinaus ergibt sich im Vergleich zum PTC-Zuheizer eine größere Sicherheit gegen el. Kurzschluss, da selbst bei el. Kurzschluss über einzelne Zwischenlagen hinweg die el. Spannung immer noch über einen relativ großen Widerstand anliegt. Beim PTC sind i.a. beim Kurzschließen einer PTC-Keramik von ca. 0,8 bis 1,4 mm Kontaktierungsabstand direkt 14 bzw. 48V kurzgeschlossen.
Der vermeintliche Vorteil der autarken Temperaturbegrenzung des PTC-Zuheizers im KFZ kommt angesichts des Arbeitstemperaturniveaus des erfindungsgemäßen Heizwiderstands, deutlich unterhalb des Curie-Punkts der im PKW üblicherweise eingesetzten PTC-Keramiken, nur sehr begrenzt zur Geltung. In Verbindung mit den nachfolgend noch beschriebenen Sicherheits-Features für den erfindungsgemäßen PTC-Ersatz entfällt dieser nicht nur völlig, sondern ist speziell für sehr kleine Luftdurchsätze eher negativ einzuschätzen.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit gut wärmeleitenden Zwischenlagen 4 ist insbesondere eine besonders einfache und verrutschsichere Positionierung in U-Profilen möglich, so wie dies anhand 2 mit den Seitenprofilen 6a und 6b mit den Innenkanten 6ak und 6bk gezeigt ist. Dabei können wahlweise die Zickzackprofile 2 und die Zwischenlagen 4 problemlos bis in die U-Profile 6a und 6b hineinragen oder nur eine dieser beiden Baugruppen, in beiden Fällen schützen die wärmeleitende Zwischenlage 4 und der kurze Wärmeleitungsweg der internen Rippen bis zur Zwischenlage 4 vor einer Überhitzung der internen Zonen des Zickzackprofils.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn darüber hinaus die Zickzackprofile über Schweißen, Löten oder Fügen in dieser Zone eine deutlich erhöhte Materialstärke und somit einen reduzierten el. Widerstand aufweisen. Hierdurch fällt in dieser Zone eine reduzierte Heizleistung an, so dass sich hier noch einmal eine Verbesserung der thermischen Situation dieser nur wenig oder gar nicht von Luft durchströmten Zone der Zickzackprofile 2 ergibt.
Wenn aus fertigungstechnischen Gründen das Zickzackband aus einem Stück besteht und um die Zwischenlagen 4 herumgeführt wird, so ist hier aus thermischen Gründen etwas mehr auf eine geringe Einbautiefe im U-Profil zu achten. Wahlweise kann aber auch einfach ein Falten des Aluminiumblechs in dieser Zone die gewünschte Materialverdickung und Absenkung der Heizleistung bewirken.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn sowohl die U-Profile 6a und 6b als auch die Zwischenlagen 4 aus eloxiertem Aluminium dargestellt werden, so dass sich eine hocheffiziente el. Isolation mit guter Wärmeleitfähigkeit ergibt. Zur weiteren Steigerung der Betriebssicherheit kann dabei eine dünne Teflon- oder Kaptanfolie zur redundanten el. Isolation herangezogen werden. Alternativ kann auch das Zickzackband 2 aus eloxiertem Aluminium bestehen, so dass sich wahlweise sehr einfache oder eine mittels Redundanz besonders kurzschlusssichere Heizungen realisieren lassen.
Als besonders feste Positionierung der Heizrippen 2 und der Zwischenlagen 4 kann neben oder ergänzend zum Anpressen mit den Querträgern 5a und 5b auch eine Fixierung mittels Kleben erfolgen. In diesem Zusammenhang reicht vielfach bereits eine nach der Montage aufgebrachte Lackschicht zur Verklebung oder auch nur als Sicherung gegen Verrutschen. Insbesondere in Verbindung mit der Positionierung bzw. dem Anpressdruck mittels der Querträger 5a und 5b reicht hier eine sehr dünne Klebe- bzw. Lackschicht, so dass die Klebe- bzw. Lackschicht nur eine geringe Wärmeisolation darstellt. Auch hier vereinfacht sich die praktische Ausführung angesichts des bevorzugt sehr geringen Sollarbeitstemperaturniveaus der Heizrippen und des Klebers erheblich. Die erfindungsgemäß realisierbaren Sicherheitsreserven gegen zu warme Heizdrahtoberflächen erlauben hier bei Bedarf sogar so große Schichtdicken, dass die Lackschicht auch als zusätzliche el. Isolation gegen fehlerhaften externen Kurzschluss dienen kann. Zusammen mit der Basisisolation über den kleinen Spannungspotenzialgradienten von Heizrippenlage zu Heizrippenlage und mit der optionalen Heizrippenisolation mittels Eloxieren der Heizrippen bzw. des gesesamten Heizwiderstands folgt hieraus bei Bedarf eine dreifach redundante Sicherheit gegen externen Kurzschluss. Die Kosten hierfür sind durchaus überschaubar und können je nach KFZ-Anforderung bezüglich Sicherheit ausgewählt werden. Darüber hinaus eröffnet die Möglichkeit, ein sehr sichere el. Komplettisolation des Heizwiderstands bereitzustellen, zusätzliches Potenzial auch im KFZ mit besonders einfachen, preiswerten und was insbesondere für PWM-Anwendungen wichtig ist auch sehr schnellen „Low-Side" Leistungstransistoren zu arbeiten. Dies ist beim KFZ anwendungs- bzw. herstellerspezifisch vielfach nicht erwünscht, da je nach Bordspannungselektrik im Crash-Fall die 14 V Generator- bzw. Batteriespannung auch beim sofortigen Ausschalten der „Low-Side" Leistungsmosfets auf Teilen der Heizungsoberfläche anliegen und gegebenenfalls unbeabsichtigt gegen Masse Kurzgeschlossen werden können. Mit der mehrfach redundanten Isolation wird dieses Risiko dramatisch reduziert.
Eine andere besonders sichere und feste Verbindung kann vorteilhaft dadurch, erfolgen, dass die einzelnen Lagen der Zickzackbänder und die Zwischenlagen 4 durch Verlöten fixiert werden, wobei abwechselnd mit Metall beschichtete und unbeschichtete Zonen der Zwischenlage 4 zur Verlötung und Isolation dienen.
3 zeigt eine besonders effiziente Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Heizwiderstands, bei dem die Kontaktierung über nicht el. isolierende Zwischenlagen 4a, 4b und 4c erfolgt, die eine direkte el. Verbindung zu den el Leistungskabeln 1, 3a und 3b herstellen. Hieraus ergibt sich eine sehr einfache Kontaktierung ohne potenzielle thermische Probleme. Gegebenfalls kann diese unterkühlte Zone auch sehr vorteilhaft dazu verwendet werden, Leistungstransistoren direkt anzubringen und zu kühlen. Wahlweise kann die Kontaktierung 3a bzw. 3b zur weiteren Kostensenkung und zur Verbesserung der Transistorkühlung auch direkt durch aus Aluminium ausgebildete Querträger 5a und 5b dargestellt werden.
Das niedrige Temperaturniveau bzw. die geringen Temperaturschwankungen sowie die Elastizität des im Normalfall unter leichter Vorspannung stehenden und vergleichsweise dünnen Zickzackbands stellen sicher, dass die thermischen Dehnungen stets im elastischen Bereich bleiben, ohne aber den Wärmeleitungskontakt mit den Zwischenlagen 4 zu verlieren.
Der erfindungsgemäß gefaltete Heizdraht bietet im Vergleich zum konvenzionellen Heizdraht zunächst den besonderen Vorteil, dass er in sich bereits relativ robust und auch relativ verwindungssteif ist. Damit entfällt im Vergleich zur konvenzionellen Drahtheizung der Einbau unter Zugspannung, wie dies z.B. bei Drahtheizungen mit gewendelten Heizspiralen der Fall ist. Damit entfällt auch die Gefahr, dass einzelne Drähte reißen und undefinierte Kurzschlüsse bzw. Glüh- oder Funkenzonen ausbilden. Dies ist grundsätzlich wichtig, ganz besonders jedoch für die raue Umgebung im KFZ.
Darüber hinaus stellt die mechanisch/thermische Kopplung des als Heizwiderstand verwendeten Zickzackbands 2 über der Bautiefe sicher, dass nicht plötzlich ein Heizdraht im Nachlauf der davor liegenden Drähte durch ungenügende Strömung zu glühen beginnt, ohne dass ein einzelner Sensor dies bemerken könnte. Dies ist z.B. wichtig, um potenzielle Risiken der Entzündung von Gasen oder Kraftstoffen beim KFZ-Crash sicher zu vermeiden.
Bei der erfindungsgemäßen el. Heizung wird dies durch die Wärmeleitung im Heizdraht sowohl in Luftströmungsrichtung als auch quer dazu weitgehend ausgeschlossen. Hierdurch vereinfacht sich die Sicherheitsüberwachung erheblich. Dies gilt auch bei Draht mit Louvres gemäß 4, da im Bereich der Auflage an der Zwischenlage 4 stets ein Wärmeaustausch senkrecht zu den Luftspalten vorliegt. Dabei ist es vorteilhaft, durch eine Begrenzung der Länge der Luftspalte bzw. Louvres auf weniger als 10 mm sicherzustellen, dass die Wärmeleitung in den einzelnen Louvres stets ausreicht, um fertigungsbedingte lokale Temperaturspitzen aus Ungleichmäßigkeiten der Luftströmung oder des Widerstands sicher auszugleichen.
Auch die Kontaktierung der Leistungsanschlüsse mit der Versorgungsspannung ist mit dem Heizrippendraht außergewöhnlich einfach und preiswert. Dies gilt sowohl für den direkten Anschluss an den Heizrippendraht wie z.B. in 1 und 2 als auch die etwas indirektere Kontaktierung über eine Vielzahl von mehrere Auflagespitzen, so wie z.B. in 3 und 8 gezeigt.
Speziell in der Anwendung im KFZ wird bei der Ausgestaltung der Sicherheitsmechanismen vorteilhaft von der Grundüberlegung Gebrauch gemacht, dass zur Leistungsregelung ohnehin Schaltstufen oder gar eine stufenlose Leistungsregelung benötigt werden.
Moderne Leistungshalbleiter zur Leistungsregelung sind bereits „on-chip" mit einer Temperaturabschaltung versehen, so dass es im einfachsten Fall genügt, das Kühlblech der Leistungstransistoren wärmeleitend an eine geeignete Zone des Heizwiderstands anzukoppeln, so wie z.B. in 8 mit dem Schalttransistor 10 gezeigt, der die Leistungsleitung 1 bei über die Steuerleitung 11 anliegendem Signal an den Heizwiderstand anlegt. Wird die Strömungsgeschwindigkeit zu klein, so steigt die Temperatur des Leistungshalbleiters an und führt bei Überschreiten des zulässigen Temperaturgrenzwerts automatisch zum Abschalten.
Eine bei vielen verfügbaren Transistoren zu findende Abschalttemperatur ist z.B. 150°C, so dass sich unter Berücksichtigung der Eigenerwärmung der Schalttransistoren problemlos Anwendungen realisieren lassen, die beispielsweise im Normalbetrieb Heizdrahttemperaturen bis 80°C zulassen und bei Gebläseausfall angesichts der Eigenerwärmung des Transistors dennoch nicht zu einem Überschreiten von 110°C Heizdrahttemperatur führen. Damit ist selbst nach einem Gebläseausfall und unbeabsichtigtem el. Heizen nicht mit einer Schädigung der Heizung zu rechnen.
Eine solche Heizungssicherheitsüberwachung ist bereits relativ sicher, da neben der im KFZ normalerweise ohnehin vorhandenen Strombegrenzungssicherung im KFZ-Sicherungskasten oder an der Starterbatterie – diese ist zur Vereinfachung stillschweigend vorausgesetzt und nicht in den einzelnen Darstellungen dieser Erfindungsbeschreibung explizit gezeigt, kann aber je nach Leistungstransistor aber in Zukunft auch entfallen – auch die lokale Temperatur an der Heizung mehrfach überwacht wird. Dennoch ist es vorteilhaft, den Heizdraht zur Redundanz noch an einer oder mehren kritischen Stellen mit einer Schmelzsicherung bzw. Kontaktierung mit Schmelzlot zu sichern, so dass auch bei völligem Ausfall der Elektronik keine glühenden Heizdrahtzonen entstehen können. Die Ausgestaltung dieses Sicherheitsmerkmals sowohl in der Variante mit Schmelzlot als auch in der Variante mit Klemmkontaktierung mittels schmelzfähigem Kunststoff ist im Gesamtsystem Heizung besonders sicher, wenn durch die Eigenerwärmung der Schmelzsicherung sowie durch eine angemessene Dimensionierung des el. Widerstands und der Oberfläche der Sicherung sichergestellt ist, dass die Schmelzsicherung bei zu geringem Luftmassenstrom ihre Temperaturgrenze schneller erreicht als der Heizwiderstand.
So ist es z.B. bei der Vorgabe von maximal 110°C Heizdrahttemperatur und der Verwendung von Lötzinn mit 180°C Schmelztemperatur besonders sicher, wenn der als Schmelzsicherung dienende Lötzinn im Normalbetrieb aufgrund dessen Eigenerwärmung eine höhere Oberflächentemperatur aufweist als der Heizwiderstand, und dass insbesondere dessen Sicherheitsabstand zur Schmelztemperatur kleiner ist als der Sicherheitsabstand des Heizdrahts zur maximalen Draht- oder Luftaustrittstemperatur von z.B. 110°C.
In der einfachsten Variante besteht die Schmelzsicherung aus Lötzinn mit genau definiertem spezifischem el. Widerstand und Durchmesser der im Normalbetrieb durch den el. Strom je nach Lufteintrittstemperatur, el. Leistung und Luftmassenstrom auf Temperaturen von beispielsweise 120 bis 160 °C erwärmt wird. Bei unbemerktem Abfall des Luftmassenstroms oder beim unsachgemäßen Zuheizen bei zu hoher Lufteintrittstemperatur erwärmt sich der Lötzinn auf die Schmelztemperatur von beispielsweise 180°C und trennt die Stromzufuhr irreversibel.
Im obigen Beispiel befindet sich die Position der Schmelzsicherung in der erwärmten Luft. Bei entsprechender Auslegung des Widerstands bzw. der Oberflächentemperatur kann aber auch eine Positionierung stromauf der Heizung erfolgen: In diesem Fall definiert die Eigenerwärmung der Schmelzsicherung in Verbindung mit der Kühlwassertemperatur des wasserseitigen Wärmetauschers die Sicherheitsabschaltung, die . Heizleistung selbst wird nicht direkt miterfasst.
Im Normalfall genügt es, den Draht aus Lötzinn nur über eine rel. kurze Länge zu erstrecken. Um besonders genau definierte Schmelzbedingungen zu realisieren ist es dabei vorteilhaft, diese Länge mindestens so groß zu wählen, dass im wesentlichen die Wärmebilanz aus Eigenerwärmung durch den el. Strom und dem kühlenden Luftstrom den Schmelzvorgang definiert und nicht die Wärmezu- und Abfuhr über die Kontaktstellen. Dabei ist es auch kein Problem, den aus Symmetriegründen des Wärmeübergangs bzw. zur Vereinfachung der Positionierung bevorzugt als Runddraht ausgebildeten Draht aus Lötzinn oder einem andern Schmelzmetall über einen längeren Bereich zu erstrecken, um gegebenenfalls Unsymmetrien der Temperaturverteilung bzw. der Luftströmungsgeschwindigkeit abzusichern.
Die geringen Kosten für den Lötzinn selbst, aber auch für dessen Applikation erlauben es, gegebenenfalls ohne große Zusatzkosten auch mehrere Orte mit einer Schmelzsicherung zu versehen.
Umgekehrt ist es aber auch möglich eine oder mehrere Kontaktstellen mittels Schmelzlot auszubilden und die Schmelzwärme über eine genaue Definition der Geometrie und der Kühl- und Wärmleitvorgänge der angeschlossenen Leitungen bzw. Widerstandsheizdrähte bereitzustellen.
Mit den oben angeführten Sicherheitsmerkmalen ist die erfindungsgemäße Widerstandsheizung der PTC-Heizung in Bezug auf Sicherheit bereits ebenbürtig oder gar überlegen. Speziell das Risiko der Funkenbildung oder das Risiko glühender Zonen in der Heizung ist z.B. beim Fahrzeug-Crash geringer als bei einer PTC-Heizung, da die Spannungspotenziale von Widerstandsbahn zu Widerstandsbahn bei der erfindungsgemäßen Heizung nur einen Bruchteil des an der PTC-Kontaktierung anliegenden Spannungspotenzials beträgt. Beim Crash gegebenenfalls auf die Heizung auftreffende Metallsplitter, z.B. vom Heizungswärmetauscher abfallende Rippen, können daher im Gegensatz zum PTC nicht durch Kurzschließen der beiden nur 0,8-1,4 mm auseinanderliegenden Kontaktierungsschienen der PTC-Keramiken eine glühende Zone darstellen. Analoges gilt für den Lichtbogen, wenn im Crash die Kontaktierungsschienen auf Lichtbogenabstand zusammenrücken oder gar kurzgeschlossen werden.
Dennoch gibt es eine ganze Reihe von Sicherheitsmerkmalen, die je nach Ausgestaltung der Regelung und je nach Ausgestaltung der übrigen Lüftungs- und Klimakomponenten vorteilhaft als zusätzliche Absicherung verwendet werden können, vielfach sogar ohne Mehrkosten zu erzeugen.
Ist für die Regelung und Kommunikation mit der Klimaregelung bzw. mit dem Bordcomputer ohnehin bereits ein Micro-Computer mit AD-Eingang im Einsatz, so kann auch einfach ein zusätzlicher Sensor im thermischen Wirkbereich der Widerstandsheizung zur zusätzlichen Überwachung dienen.
Eine weitere Absicherung kann auch durch die bereits installierte Sensorik der Klimaanlage erfolgen. Bei rein elektrischer Heizung kann beispielsweise mittels der eingestellten el. Leistung sowie der Temperaturdifferenz der Luft am Ein- und Austritt der Heizung überwacht werden, ob ein hinreichender Luftmassenstrom vorliegt. Dabei ist davon auszugehen, dass die Regelung der Klimaanlage bzw. der Heizung bei modernen Systemen auch die momentane Gebläsestellung kennt und damit stets auch eine Alterung des Gebläses oder eine potenzielle Luftverblockung z.B. im Luftfilter erkennbar ist.
Speziell beim KFZ ist dem el. Zuheizer i.a. ein kühlwasserseitiger Heizungswärmetauscher vorgeschaltet, ein Temperatursensor zwischen Heizungswärmetauscher und el. Zuheizer ist i.a. nicht vorhanden, doch ist dies bei entsprechender Vernetzung der Heizungsregelung mit dem Rechner der Klimaanlage oder der Motorsteuerung – z.B. mittels CAN-Bus – auch nicht notwendig. Die Motorsteuerung oder die Steuerung der Klimaanlage liefert dann die Lufteintrittstemperatur und die Kühlwassertemperatur und gegebenenfalls den Kühlwasser- und Luftdurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher, so dass sich über das Wärmetauscherkennfeld recht genau die Lufteintrittstemperatur in den el. Zuheizer berechnen lässt. Damit ist auch hier eine Überwachung des Luftmassenstroms wie oben beschrieben möglich. Es kann aber auch zunächst einfach die el. Heizleistung ausgeschaltet bleiben und der Luftdurchsatz einfach durch die Energiebilanz am wasserseitigen Wärmetauscher abgeschätzt werden. Hierzu muss allerdings mit dem Einschalten der el. Heizung gewartet werden, bis das Kühlmittel etwas erwärmt ist.
Alternativ sehen „Stand-Alone" Zusatzmaßnahmen einfache Temperaturschalter, z.B. auf Bimetallbasis, im Leistungsstromkreis vor.
Die erfindungsgemäßen Varianten der el. Heizung zeichnen sich im Vergleich zu PTC-Heizungen, wie sie z.B. im KFZ Standard sind, insbesondere dadurch aus, dass sie die Nennleistung nicht nur bei hohem Luftmassenstrom und bei geringer Lufteintrittstemperatur liefern können, sondern im gesamten für zukünftige KFZ relevanten Bereich der Lufttemperaturen und Luftdurchsätze. Gleichzeitig sind die Kosten deutlich günstiger als bei der PTC-Heizung. Dies folgt u.a. aus dem Entfall der teuren PTC-Keramiken und aus dem Entfall der aufwändigen Kontaktierung einschließlich der erforderlichen Präzision bei der Fertigung, die bei bisher bekannten KFZ-Anwendungen insbesondere eine gute Wärmeleitung über die Trennfläche zwischen der PTC-Oberfläche an eine planparallele Aluminiumkontaktplatte erfordert. Hier stören bereits kleine Unebenheiten und Verschmutzungen die Leistung des PTC-Elements erheblich. Im Gegensatz hierzu ist für die erfindungsgemäße Widerstandsheizung ein geringerer Anpressdruck erforderlich, da nicht zwei planparallele Flächen wärmeleitend verbunden werden müssen, sondern sich die Spitzen der Rippen potenziellen Unebenheiten der Zwischenlagen 4 elastisch anpassen. Darüber hinaus wird die el. Leistung ohnehin direkt in den Heizrippen umgesetzt.
Speziell bei der für die Zukunft zu erwartenden Anforderung an KFZ-Heizungen, die Nennleistung auch bei, im Vergleich zu heute üblichen Werten, erhöhten Lufteintrittstemperaturen und reduzierten Luftmassenströmen zu liefern, ergibt sich ein weiterer Vorteil für die erfindungsgemäße Heizung: Zum einen kann auf die mit dieser Forderung bei PTC-Heizungen einhergehende Erfordernis einer erhöhten Nennleistung verzichtet werden, zum andern müssen die Schalt-Relais bzw. die Schalttransistoren einschließlich der el. Leitungen und Sicherungen nicht die bei PTC-Heizungen unvermeidbare Erhöhung der Kaltströme bzw. der warmen Wiedereinschaltströme handhaben bzw. vermeiden.
Bekannte PTC-Anwendungen im KFZ weisen insbesondere drei Widerstandsstufen auf, die über zwei Relais bzw. Transistoren in drei Stufen geschaltet werden können:

Leistungsstufe 1: Schalter 1 geschlossen / Schalter 2 geöffnet
Leistungsstufe 2: Schalter 1 offen / Schalter 2 geschlossen
Leistungsstufe 3: Schalter 1 geschlossen / Schalter 2 geschlossen.

Für die verschiedensten Varianten der Leistungsregelung, ganz besonders jedoch zur Beibehaltung dieser Ansteuerungsphilisophie und insbesondere für die schnelle Ausnutzung des Kosten- und Leistungsvorteils der erfindungsgemäßen Heizung ist es besonders vorteilhaft, wenn für die erfindungsgemäße Heizung zwei oder mehr Heizwiderstände unterschiedlicher Leistung aber annähernd gleicher Heizleistung pro Oberfläche verwendet werden. Dies hilft insbesondere, das Limit für die lokale Oberflächentemperatur von beispielsweise 110°C in einer spezifischen KFZ-Anwendung voll zur Minimierung des Materialaufwands und des Bauvolumens ohne Temperaturregelung der einzelnen Stufen auszunutzen.
Zur Beibehaltung der obigen Ansteuerungsphilosophie einschließlich der Schalt-Relais genügt es, zwei separat schaltbare Widerstände unterschiedlicher Leistung vorzusehen, so wie dies z.B. in 7 gezeigt ist. Die Überwachung und Regelung der Zu- und Abschaltung der einzelnen Stufen der Heizung einschließlich der Sicherheitsüberwachung übernimmt dabei im einfachsten Fall die automatische Heizungsregelung oder der Bordcomputer. Ansätze wie die verschieden Betriebsfehler wie z.B. Abfall der Gebläseleistung abgesichert werden können, wurden bereits exemplarisch beschrieben. Als „finale" Absicherung gegen unbeabsichtigtes Heizen und Überhitzung sind bei der Heizung gemäß 7 zusätzlich Schmelzsicherungen 53 vorgesehen.
Neben dem Abfließen von Schmelzlot – mit und ohne Vorspannung zwischen den Einzeldrähten des Heizwiderstands – kann auch das Schmelzen von Halteklammern aus Kunststoff o.ä. zwei unter Vorspannung zusammengepresste Einzeldrähte des Heizwiderstands trennen und so als Absicherung dienen.
Als zusätzliche Sicherheitsoptionen sind in 7

– ein reversibler Temperaturschalter TS1 zur indirekten Überwachung der Oberflächentemperatur der Heizrippen mittels wärmeleitendem Kontakt über den Träger 5a
– ein reversibler Temperaturschalter TS2 zur direkten Überwachung der Lufttemperatur im Wirkbereich der Heizrippen
– sowie eine irreversible Schmelzsicherung TS3, ebenfalls zur direkten Überwachung der Lufttemperatur im Wirkbereich der Heizrippen

53

Je nach Fahrzeug und Klimaregelung ist die el. Heizung gemäß 7 in der Lage, ohne Zusatzbauteile direkt den heute serienüblichen PTC-Zuheizer in vielen KFZ-Varianten zu ersetzen. Im einfachsten Fall erfolgt dies lediglich, um die günstigeren Herstellungskosten im Vergleich zur PTC-Heizung zu nutzen.
Gegebenfalls kann aber auch auf kleinere el. Schalter, Kabel und Sicherungen übergegangen werden, da der kalte und der warme Einschaltstrom und insbesondere der Dauerstrom der ersten Minuten bei kaltem Motor etwas niedriger liegt, als bei der PTC-Heizung.
Alternativ kann aber auch die Schaltleistung der Schalter voII ausgenutzt werden, indem die Nennleistung der erfindungsgemäßen Heizung auf das Niveau der kalten PTC-Heizung angehoben wird, verbunden mit den entsprechenden Vorteilen bezüglich Heizleistung bei teilerwärmten Motor.
Nicht zuletzt die geringen Kosten für die el. Heizung und ganz besonders die Möglichkeit, die bei sehr vielen OEMs sofort verfügbare sowie extrem preiswerte und robuste Schaltfunktion mittels Relais oder einfacher Schalttransistoren, d.h. ohne den Mehraufwand der Pulsweitenmodulation einschließlich des daran gekoppelten Mehraufwands bezüglich EMV, beizubehalten und gegebenenfalls sogar noch eine Verbesserung der Heizwirkung zu erzielen, machen die erfindungsgemäße Heizung gemäß 7 besonders attraktiv.
Die gesunkenen Preise für Leistungshalbleiterschalter und Micro-Computer eröffnen jedoch auch die Möglichkeit, an die Grenzen bezüglich voller Ausnutzung der momentan verfügbaren Generatorleistung für Heizzwecke im KFZ zu gehen. Auch hier ist die erfindungsgemäße el. Heizung nicht nur preiswerter als die PTC-Heizung sondern effektiver und einfacher regelbar.
Dabei sind die erfindungsgemäßen el. Heizungen bei vollelektronischer Regelung, z.B. mit Pulsweitenmodulation, durch ihren einfachen Aufbau und eine homogene Luftaustrittstemperaturverteilung gekennzeichnet, bei denen vielfach nur ein einziger Heizwiderstand benötigt wird und eine elektronische Leistungsregelung die Leistungsanpassung und Abschaltung vornimmt. Darüber hinaus ist eine vollelektronische Leistungsregelung für die erfindungsgemäße Heizung – durch den Entfall der nicht zu unterschätzenden kapazitiven Last der parallelgeschalteten PTC-Keramiken – wesentlich einfacher und preiswerter realisierbar.
Obwohl bei sachgemäßer Auslegung und Sicherheitsüberwachung der Heizung mittels des Heizungs- bzw. Klimasteuergeräts bereits der Einsatz von Schmelzsicherungen i.a. als eine unübliche, d.h. als nicht notwendig erachtete, Sicherheitsmaßnahme angesehen werden kann, so sind doch je nach Sicherheitsanforderung der spezifischen Anwendung und insbesondere für manche Anwendungen im KFZ zusätzliche oder andere Sicherheitsmaßnahmen gewünscht. Die gute thermische Kopplung zwischen allen Bereichen des el. Heizwiderstands mittels gut wärmeleitender Zwischenlagen 4 mit entsprechendem Wärmeleitvermögen in Richtung ungekühlter oder auch unbeheizter Zonen birgt dabei den ganz besonderen Vorteil der einfachen und genau definierbaren Wärmeeinkoppelung in Sensoren aber auch der direkten Ankoppelung von Regelschaltern oder Sicherheitsabschaltern.
Unter Kostengesichtspunkten ist es besonders effektiv, wenn die Fahrzeugklimaregelung oder das manuelle Steuergerät die Ansteuerung der Heizung im Normalbetrieb übernimmt und nur eine autarke Sicherheitsvorrichtung wie z.B. das Schmelzlot den „finalen" Schutz z.B. gegen Fahrzeugbrand übernimmt.
Darüber hinaus ist die Fahrzeugklimaregelung durchaus auch in der Lage, zusätzliche Sicherheitsfunktionen wahrzunehmen. In diesem Zusammenhang ist es ohne Mehrkosten vorteilhaft umsetzbar, dass vor Einschalten oder zur Sicherheitsabschaltung der el. Heizung Informationen, insbesondere zur Bestimmung der Lufttemperaturen vor und hinter dem el. Zuheizer, des Kabinenluftmassenstroms und der Gebläsestellung einschließlich dessen Funktionsfähigkeit aus dem Klimasteuergerät auch aus dem Datenbus, dem Fehlerspeicher oder der Motorsteuerung herangezogen werden.
Angesichts der beschrieben Möglichkeiten zur effektiven und kostengünstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen el. Widerstandsheizung wird in Bezug auf den heutigen Serien- und Entwicklungsstand der luftseitigen el. Zuheizung im KFZ deutlich, dass es in Zukunft vorteilhaft sein wird, die bisherige Standardlösung im KFZ, d.h. die PTC-Heizung, zu verlassen. Aus Funktions- und Kostengründen ist dabei eine schnelle Einführung der erfindungsgemäßen Heizung in bereits angelaufene Fahrzeugserien und bereits weit vorangeschrittene Fahrzeugentwicklungsprogramme von besonderem Interesse. Die aufgezeigten Wege zur Leistungsstufung, Leistungsregelung sowie der Absicherung machen es als ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Heizung möglich, die Anschlussstecker der el. Heizung Pin-Kompatibel zu bereits entwickelten oder schon am Markt befindlichen PTC-Zuheizern in KFZ zu machen, so dass eine sehr kurzfristige Umstellung der Fertigung möglich ist. Das potenzielle Sicherheitsrisiko in Bezug auf Explosionschutz oder Überhitzen bzw. Schmelzen des Heizgerätegehäuses – eigentlich kann dies nur bei groben Programmierfehlern der Klimaregelung relevant werden – ist dabei gänzlich ausgeschlossen, wenn die oben beschriebenen Maßnahmen wie z.B. die Schmelzlotsicherung zur mechanischen Abschaltung direkt am Heizwiderstand realisiert werden.
Dies sei hier an einem vereinfachten Beispiel mit 1 kW Heizleistung beschrieben: Ist die Heizungsregelung so programmiert, dass nur ab einer Gebläseeinstellung für 3kg/min und mehr Luftmassenstrom eine Zuheizung erfolgt und wird das volle Potenzial der Heizung von 1 kW ausgenutzt, um die Luft von 50°C auf 70°C zu erwärmen, so wird z.B. mit einer Oberflächentemperatur der Heizrippen von 80°C (bei 1 kW, 3kg/min und 50°C Lufteintrittstemperatur in die el. Heizung) und einer Schmelzsicherung bestehend aus rundem Lötdraht gearbeitet, der sich über eine Länge von z.B. 30 mm erstreckt, in der aus der Heizung austretenden Luft eine Temperatur von 130°C aufweist und eine Schmelztemperatur von 170°C hat.
Ist bei dieser Konstellation der Luftmassenstrom höher oder niedriger als 3kg/min so ändert sich bei der erfindungsgemäßen Widerstandsheizung bei unveränderter Versorgungsspannung von beispielsweise 14 V die Leistung nur relativ wenig. Bei vereinfachter Betrachtung ohne genaue Berücksichtigung der Einlaufströmung beträgt die für den Wärmeübergang maßgebliche Temperaturdifferenz für den Wärmeübergang Luft-Heizdraht in diesem Sollarbeitspunkt 80-(50+70)/2=20K. Für den Lötdraht beträgt die maßgebliche Temperaturdifferenz für den Wärmeübergang Luft-Lötdraht in diesem Sollarbeitspunkt 130–70 = 60K. Eine Reduktion des Luftmassenstroms von 3 auf 1 kg/min bedeutet anstelle einer luftseitigen Temperaturzunahme von ca. 20K nun eine Temperaturzunahme von 60K, d.h. die Luft verlässt die el Heizung nicht mehr mit 70°C, sondern mit 110°C. Dies ist eine Temperatur, die für viele gängige Kunststoffe der Heizgerätegehäuse im KFZ gerade noch zulässig ist. In grober Näherung – wie bereits erwähnt wird hier auf die genauere Berechnung der Wärmeübergänge der Grenzschichten in der Spaltströmung zur Vereinfachung der Betrachtung verzichtet – muss hierzu die Heizdrahttemperatur auf ca. 120°C ansteigen, während der Schmelzdraht aus Lötzinn bereits ohne die Berücksichtigung von Zusatzeffekten mit 110+60=170°C die Schmelzgrenze erreicht hat. In der Erprobung zeigt sich, dass der Lötzinn aufgrund der Zusatzeffekte, insbesondere durch Abnahme des Wärmeübergangskoeffizienten und Zunahme des el. Widerstands des Lötzinns bei Erwärmung, bereits früher die Stromzufuhr unterbricht.
In der Praxis wird aber weder die Regelung des Klimageräts noch der Fahrer eine so hohe Luftausblastemperatur von 110°C wünschen, sondern die Motorsteuerung oder die Heizungsregelung wird die el. Zuheizung für Kühlwassertemperaturen oberhalb 70–80°C deaktivieren.
Fällt das Gebläse völlig aus, so wird der Luftmassenstrom u.U. sehr gering und beträgt bei Fahrzeugstillstand Null. Während der PTC-Zuheizer in diesem Betriebszustand zwar durchaus die el. Leistung automatisch zurückfahrt, so kann es speziell bei geringen Luftmassenströmen dennoch zu Luftaustrittstemperaturen spürbar über 110°C kommen. Die erfindungsgemäße Heizung hat im Gegensatz hierzu z.B. den Lufttemperaturschalter TS2, wie in 7 exemplarisch gezeigt, der bereits bei 90°C Luftaustrittstemperatur für ein reversibles und sicheres Abschalten sorgt.
Analoges gilt beim alltäglichen Abschalten: Hier liegt der erfindungsgemäße Heizwiderstand speziell in seiner bevorzugten Ausführung mit relativ geringer el. Leistung pro Rippenfläche und erhöhtem Wärmeübergang mittels hocheffizienter Heizrippen 2 mit „Louvres" 2a und 2b gemäß 4 im Normalbetrieb stets niedriger als der PTC-Zuheizer, da nicht Zonen innerhalb der PTC-Keramik und in deren Nahbereich auch im Aluminium oberhalb der Curie-Temperatur von beispielsweise 110°C Liegen. Dies ist beim gezielten Einsatz der el. Zuheizung bei geringen Luftmassenströmen zukünftiger PKW-Heizungen ganz besonders bedeutsam.
Diese vereinfachten Betrachtungen zeigen exemplarisch, dass bei sorgfältiger Abstimmung der erfindungsgemäßen el. Heizung auf die jeweilige Anwendung bereits mit Schmelzlot alleine die maßgeblichen Sicherheitsaspekte abgesichert werden können. Dies ist von ganz besonderer Bedeutung für ungeregelte oder nur stufenweise geregelte Zuheizungen im KFZ, doch als zusätzliche Absicherung auch für stufenlos geregelte Heizungen mit und ohne Zusatztemperatursensoren.
Wie bereits mehrfach beschrieben, ist der erfindungsgemäße Heizwiderstand im Vergleich zu PTC-Heizelementen nicht nur wesentlich effektiver und zugleich erheblich preiswerter sondern er ist gleichzeitig der Schlüssel für wesentliche preiswertere Gesamtsysteme einschließlich Sicherheitsüberwachung und Leistungsregelung.
Ein bisher noch nicht ausreichend vertiefter Sachverhalt hierfür liegt in den Eigenschaften der Leistungsschalter sowie in der Leistungsregelung begründet, die durch die spezifischen Einschaltströme der im el. Ersatzschaltbild als Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand mit meiner Parallelschaltung aus ohmschem Widerstand und einem Kondensator zu beschreiben ist. Dies führt auf starke überhöhte Einschaltströme und Pulsationen der Ausschaltströme, gekoppelt an entsprechende Nachteile bei der EMV und bei der Transistorerwärmung während des Schaltvorgangs. Als Folge hieraus sind alle bisher bekannten PKW-Zuheizer mehrstufig ausgestaltet, um die Leistungsstufung bzw. -regelung mit beherrschbaren Schaltströmen vorzunehmen. Dabei sind PTC-Zuheizer am Markt, die zwischen 3 und 7 Schaltstufen aufweisen, um die Spitzenströme und die Strompulsationen bzw. die EMV in den Griff zu bekommen.
Mittlerweile werden von den beiden Marktführern für PTC-Zuheizer auch stufenlose Regelungen angeboten, aber auch diese sind dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 3 Schaltstufen bzw. Heizwiderstände benötigt werden, um die Spitzenströme und die EMV zu beherrschen.
Gleichzeitig sind in diesem Zusammenhang die Systemkomplexität und die Systemkosten dadurch erheblich gestiegen, dass die Schalttransistoren bei stufenloser Puslweitenmodulation der Leistung insbesondere auch aus thermischen Gründen, d.h. zur besseren Kühlung der Transistoren, in die el. PTC-Zuheizung bzw. in den aufzuheizenden Luftstrom verlagert werden müssen und nicht wie bisher bevorzugt im Heizungssteuergerät verbleiben können.
Die relativ komplexen Regel- und Überwachungsaufgaben der 3-stufigen PWM, insbesondere mit alternierender Aktivierung der einzelnen Stufen in der Teillast, erfordern darüber hinaus die Integration der Regel- und Überwachungslogik in den PTC-Zuheizer, da sonst neben den beiden Leistungsleitungen 3 Steuerleitungen erforderlich wären, anstelle von nur einer Steuerleitung bei einer einstufigen Lösung. Für einen Verbleib der PTC-PWM-Regelung im Heizungssteuergerät sowie die Nutzung dessen Micro-Prozessors wären darüber hinaus zusätzliche Leitungen für die Sicherheitsüberwachung und Sensorik der einzelnen Stufen erforderlich, was in Verbindung mit den obigen Ausführungen letztendlich den Schritt der beiden PTC-Marktführer in Richtung komplette Integration der Regel- und Überwachungselektronik in die PTC-Zuheizung hinein zu erklären scheint.
Es kommen im KFZ inzwischen sogar extrem aufwändige PWM-Regelungen zum Einsatz, die zur Ansteuerung und Überwachung von 3 PTC-Heizwiderständen neben den Leistungstransistoren zusätzlich einen Micro-Prozessor mit Mess-, Regel- und Überwachungsaufgaben enthalten, sowie einen zusätzlichen Can-Controller zur Kommunikation mit dem Fahrzeugbus, d.h. insbesondere mit den Micro- Prozessoren der Motorsteuerung, des Klimageräts und gegebenenfalls des Batteriemanagements. Derartige Systeme sind nicht nur sehr teuer in der Anschaffung, sie stellen auch ein erhebliches Risiko bezüglich potenzieller Reparaturkosten dar, insbesondere bei den üblicherweise sehr schlecht zugänglichen Einbausituationen im KFZ.
Vor diesem Hintergrund zeigen 5 und 6 zwei über Schalttransistoren, geschaltete Anwendungen der erfindungsgemäßen Widerstandsheizung zur Ansteuerung einer el. KFZ-Zuheizung, die in diesem Umfeld wesentliche Vereinfachungen und Kosteneinsparungen darstellen bzw. im Gesamtsystem el. Zuheizung erst ermöglichen. Dabei wird in den allermeisten Fällen im KFZ eine einstufige bzw. eventuell eine zweistufige Ausführung dazu ausreichen, um eine 3-oder gar 7-stufige PTC-Zuheizervariante zu ersetzen. Dies liegt zum einen an den niedrigeren Spitzenströmen und der geringeren Strompulsation rein ohmscher Heizwiderstände, zum anderen an dem niedrigeren Arbeittemperaturniveau und bei vielen Anwendungen auch an den verfügbaren Möglichkeiten, die Leistungstransistoren direkt mittels wenig oder gar nicht beheizter Zonen des el. Zuheizers zu kühlen, so wie mit dem Transistor 11 in 8 exemplarisch gezeigt.
Je nach Schaltfrequenz der PWM und gegebenenfalls auch je nach Schaltgeschwindigkeit der verwendeten Transistoren bzw. bei Verwendung künstlicher Abflachung der Signalflanken der Ein- und Ausschaltsignale zur Strombegrenzung sind bei PTC-Regelungen ohnehin schon wesentlich höhere Verlustwärmen abzuführen als bei rein ohmschen Heizwiderständen. Bei einer Platzierung der Leistungstransistoren in oder am erfindungsgemäßen Heizwiderstand bedeutet die geringere Verlustwärme selbst bei Beibehaltung der Stufenanzahl von beispielsweise drei direkt eine einfachere Kühlung sowie die Verwendung kleinerer und preiswerterer Schalttransistoren.
In besonders vorteilhafter Ausnutzung des erfindungsgemäßen Heizwiderstandes wird man aber im Normalfall zumindest eine der nachfolgenden Verbesserungsoptionen realisieren:

1. Eine Reduktion der Stufenzahl auf zwei oder gar eine Stufe ist unmittelbar realisierbar, auch wenn bereits die größten am Markt verfügbaren Schalttransistoren in der zu ersetzenden PTC-Zuheizung verwendet werden.
2. Durch Übergang auf 1-2 Stufen wird es möglich die Überwachung und Regelung durch den Micro-Prozessor des Heizungssteuergeräts erledigen zu lassen ohne dessen Resourcen zu überfordern und ohne eine in der Praxis nicht realisierbare Anzahl von Regel- und Überwachungsleitungen zu benötigen
3. Bei Beibehaltung der 3-Stufigkeit eröffnet sich angesichts der geringeren Transistorabwärme die Möglichkeit, durch eine nur geringfügige Verbesserung der Transistorkühlung bzw. bei Verfügbarkeit auch durch etwas größere Leistungstransistoren die bereits verfügbare 3-stufige, nicht pulsweitengeregelte Lösung zu verwenden so dass die komplette Steuerung und PWM-Leistungsregelung im Heizungssteuergerät verbleibt. Dies gilt bereits für die heute üblicherweise zur 3-stufigen PTC-Regelung ohne PWM eingesetzten Transistoren mit relativ geringer Schaltgeschwindigkeit, in ganz besonderem Maße jedoch, wenn in einem weiterführenden Schritt wesentlich schnellere Schalttransistoren zum Einsatz kommen.
4. Alternativ ist es aber auch eine sehr kosteneffektive Maßnahme, wenn auch die ausgewählt schnellen Leistungstransistoren am el. Zuheizer positioniert und gekühlt werden, da sich damit wahlweise kleinere und preiswertere Leistungstransistoren verwenden lassen bzw. es wird die Stufenanzahl der Widerstände z.B. von 2 auf 1 herabgesetzt. Speziell mit schnellen Schalttransistoren ist dies durch eine entsprechend hohe Schaltfrequenz vielfach realisierbar. Eine Erhöhung der Schaltfrequenz kommt dabei insbesondere auch der Stabilität der Generator- bzw. Batteriespannung im PKW zu Gute. Ein besonders schnelles Schalten, verbunden mit einer extrem kurzen Phase in der ein Großteil des el. Stroms seine Energie am Transistor und nicht an der el. Heizung dissipiert, ist mit der rein ohmschen Last des erfidungsgemäßen Heizwiderstands relativ einfach möglich, beim PTC nur schwer.
5. Vergleichsweise hohe Schaltfrequenzen können darüber hinaus in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Heizung zur Vereinfachung und zur Verfeinerung der stufenlosen Regelung verwendet werden, indem bereits verfügbare PWM-Ausgänge des zur Ansteuerung verwendeten Micro-Prozessors ohne anwendungsspezifische Anpassung der Frequenz und der Flankensteilheit direkt zur Ansteuerung der el. Heizung verwendet werden. Eine derartige Vorgehensweise ist bei PTC-Zuheizern aufgrund der Spitzenströme und der EMV nicht möglich. Diese benötigen vielmehr eine Frequenzanpassung sowie eine moderate Ein- und Ausschaltflankensteilheit zur Begrenzung des Spitzenstroms und zur Verbesserung der EMV Bei feinfühliger Regelung mit rel. hoher Frequenz führt dies bei PTC-Zuheizern insbesondere sehr schnell zur Transistorüberhitzung.

In 5 ist zunächst eine besonders schnell umsetzbare Anwendung mit dem bekannten Transistor BTS650P exemplarisch gezeigt, der eine ganze Reihe interner Schaltungen zur Erhöhung der Robustheit im KFZ enthält und insbesondere die Option der Strommessung mittels Anschluss P5 bietet. Dies erfolgt indem der Chip einen dem im Leistungszweig „Out" fließenden Strom proportionalen Signalstrom liefert, der mittels AD-Wandlung der am 1000Ohm-Widerstand abfallenden Spannung gemessen wird. Bei Integration des Schalttransistors auf dem erfindungsgemäßen el. Heizwiderstand gemäß 8, gegebenenfalls mit einer zusätzlichen nicht elektrisch isolierten Zwischenlage 4 zur noch besseren Kühlung, reicht die Kühlung durchaus für eine brauchbare Heizleistung im KFZ aus. Bei Bedarf können auch größere Transistoren oder mehrere parallele Transistoren Verwendung finden. Der verwendete Transistor enthält bereits eine Sicherheitsabschaltung bei 150°C, so dass im einfachsten Fall selbst ohne Schmelzsicherung eine Auswertung des Stromsignals nicht zu erfolgen braucht. Dennoch wird man im Normalfall die Schmelzsicherung als Zusatzabsicherung verwenden. Ebenso stellt es nur einen geringen Aufwand dar, das Stromsignal als Leistungsmessignal mittels AD-Wandlung zu messen oder zumindest auf ein digitales Input/Output-Spannungsniveau zu bringen und so zur Diagnose zu verwenden . Dabei liegt es auf der Hand, dass dies für eine ein- bis zweistufige Ausführung noch mittels Zusatzleitungen zum Micro-Prozessor der Klimaanlage erfolgen kann, bei noch mehr Stufen aber immer aufwändiger wird und dann vielfach besser eine Integration der Überwachungselektronik auf der Heizungsseite erfolgt.
Bei bekanntem Heizwiderstand reicht dem Rechner der Klimaanlage eine einzige Programmzeile zur Berechnung der effektiven Leistung aus der vorgegeben PWM und der beispielsweise vom CAN-Bus abgerufenen Bordnetzspannung. Die Strommessung – wahlweise nur in der Pulsphase oder mittels elektronischer oder numerischer Filterung – dient damit nur zur Überwachung.
Ganz besonders sicher und kosteneffektiv ist jedoch die Option, mit der Schaltung gemäß 5 das Strommesssignal zu verwenden, um in Verbindung mit Heizwiderständen mit einem noch mit ausreichender Genauigkeit messbaren Temperaturgang des el. Widerstands die mittlere Heizdrahttemperatur zu messen. Da beim erfindungsgemäßen Heizwiderstand insbesondere Gestaltungsmerkmale zur Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung zum Tragen kommen, verbessert sich die Aussagekraft einer derartigen Messung im Vergleich zu normalen Drahtheizungen dramatisch. Hinzu kommt der hohe Sicherheitsabstand gegen Drahtüberhitzung, so dass die Ansprüche bezüglich Temperaturgleichverteilung und Messgenauigkeit für die Temperatur relativ gering sind. Das Zusammenspiel dieser Wechselwirkungen erlaubt es, mit der Konfiguration in Verbindung mit der ohnehin bekannten Batterie- bzw. Generatorspannung eine genaue Leistungsregelung auch bei Verwendung von Aluminium, Kupfer oder Messing als Heizdraht zu realisieren. Ganz besonders vorteilhaft ist es jedoch, diese Information über die Widerstandstemperatur zur Sicherheitsabschaltung und zur Diagnose zu verwenden: Einerseits muss die mittlere Widerstandstemperatur bei sehr geringer el. Leistung nahe der Kühlwassertemperatur bzw. der Luftaustrittstemperatur aus dem Kabinenwärmetauscher liegen, andererseits muss sich beim dem Klimasteuergerät im Normalfall ebenfalls bekannten Luftmassenstrom bei der eingestellten el. Leistung eine bestimmte Temperatur oberhalb der Kühlwasser- bzw. Luftausblastemperatur einstellen. Darüber hinaus kann bei Erreichen von Heizdrahttemperaturen von mehr als 100°C eine automatische Abschaltung bzw. Fehlerausgabe erfolgen.
Der vermeintliche Nachteil der Temperaturabhängigkeit des el. Wiederstands von beispielsweise Aluminium kehrt sich angesichts dieser Ausführungen und ganz besonders in Wechselwirkung mit dem Temperaturausgleich über die Zwischenlagen 4 zu einem erheblichen Vorteil um. Dies gilt grundsätzlich bereits bei stufenloser PWM aber mit gewissen Einschränkungen auch für einfache in einzelnen Stufen, d.h. ohne PWM geregelten Varianten mit Drahttemperaturüberwachung.
Diese Verfahrensvariante der Heizungsregelung und -überwachung mittels des Temperaturgangs des el. Widerstands des direkt beheizten Heizdrahts ist sowohl für Anwendungen von Interesse, bei denen die Leistungstransistoren an der Heizung angebracht sind als auch für Anwendungen, bei denen die Leistungstransistoren im Heizungssteuergerät integriert sind. Die Kosteneinsparungen im Vergleich zu heute bekannten KFZ-PTC-Heizungen einschließlich Heizungsregelung sind in beiden Varianten erheblich, gepaart mit einem nicht zu unterschätzenden Sicherheitsvorteil gegenüber PTC-Systemen, so dass gegebenenfalls sogar auf eine Schmelzsicherung verzichtet werden kann.
Als ganz besonders sicher und auch in Bezug auf ein Einschränkung der Systemkomplexität sowie den Verzicht auf dezentrale Intelligenz durch zusätzliche Logikbausteine oder gar Micro-Prozessoren an der el. KFZ-Zuheizung von großem Interesse ist die Tatsache, dass bei der Anwendung nach 5 bei Bedarf die Ansteuerung und Kommunikation bzw. Überwachung und Diagnose zwischen Heizwiderstand und Klimarechner über die Leistungsleitungen 1 und 3 erfolgen kann. Mit anderen Worten es genügen zwei bzw. im in 5 gezeigten Beispiel eigentlich sogar nur eine Leitung zur Leistungszufuhr sowie Regelung und Sicherheitsüberwachung (Leitung 3 liegt hier auf Masse, es kann aber auch ein „Low-Side" Mosfet verwendet werden). Alle übrige Elektronik kann bei Bedarf weit entfernt von der Heizung positioniert werden und insbesondere auch im Klimasteuergerät verbleiben.
Bei moderater Schaltfrequenz lassen sich mit den verfügbaren Leistungstransistoren und der Schaltung gemäß 5 alle bisher bekannten PTC-Leistungen mit einer bzw. zwei Schaltstufen realisieren. Im Normalfall genügen 1-2 Transistoren vom Typ BTS650P oder BTS555. Soll jedoch das volle Leistungs- und Kosteneinsparpotenzial des erfindungsgemäßen Heizwiderstands ausgenutzt werden, so sind Transistoren mit erhöhten Schaltgeschwindigkeiten vorzuziehen, so dass die Verlustwärme während des Schaltvorgangs reduziert wird.
6 zeigt eine Variante von 5, wobei die Temperaturmessung des Aluminiumheizwiderstands mittels eines temperaturunabhängigen 100 Ohm-Widerstands erfolgt, der die Bordnetzspannung mit dem Heizwiderstand verbindet. Die Temperaturmessung erfolgt in der Pulspause der PWM durch AD-Wandlung der Spannung am Heizwiderstand und anschließende Umrechnung des Messignals in den momentanen Widerstand bzw. die momentane Temperatur des Heizdrahts.
Die zur rückwirkungsfreien Messung erforderlichen Maßnahmen sind symbolisch mit dem optionalen Schalter S1 angedeutet, der je nach Einbauort gegebenenfalls zur Minimierung einer potenziellen Überhitzung des Messwiderstands verwendet wird. Alternativ kann hier aber auch ein größerer Messwiderstand in Verbindung mit einem einfachen Operationsverstärker zur Messsignalverstärkung verwendet werden. Darüber hinaus sind gegebenenfalls Zusatzmaßnahmen zur Anpassung der Schaltung an hohe Schaltfrequenzen bzw. zur Anpassung an die Messdauer der verwendeten AD-Wandlung wie z.B. sample and hold notwendig. Die Mehrkosten für die Elektronik werden dabei in manchen Anwendungen insbesondere dadurch kompensiert, dass durch die geringere Messtoleranz für die Temperatur ein geringerer Materialeinsatz bzw. geringere Druckverluste auf der Heizwiderstandseite realisierbar werden.
Darüber hinaus eröffnet die Variante gemäß 6 eine einfache Umsetzung redundanter Sicherheitsmechanismen, indem die Strommessung während der Pulsphase mittels des Chips als Zusatzinformation zur Sicherheitsüberwachung verwendet wird.
Wahlweise können mit der Temperaturmessung über die Reihenschaltung des 1000hm-Widerstands und des Leistungswiderstands aber auch besonders schnelle Leistungstransistoren ohne Strommesssignal verwendet werden. Das hieran gekoppelte Kosteneinsparpotenzial aufgrund der preiswerteren Leistungstransistoren und ganz besonders auch der geringeren Verlustwärme während des Schaltvorgangs macht dies sehr attraktiv.
Die wesentlichen verfahrenstechnischen Aspekte zur Regelung der Heizung wurden bereits im Rahmen der Beschreibung der einzelnen erfindungsgemäßen Vorrichtungen beschrieben. An Hand der Vorrichtungsvariante in 5 sollen aber nachfolgend noch einmal einige wichtige Verfahrensaspekte explizit erläutert werden. Vorab bleibt in diesem Zusammenhang jedoch insbesondere festzuhalten, dass erst das in Bezug auf eine möglichst homogene Heizdrahttemperaturverteilung besonders vorteilhafte Widerstandsdesign eine sichere Anwendung der erfindungsgemäß optimierten Regel- und Überwachungsverfahren im KFZ ermöglicht. Umgekehrt sind die erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten wiederum für alle Anwendungen von besonderem Interesse, bei denen Heizwiderstände eingesetzt werden, die eine ähnlich gute Robustheit der Temperaturgleichverteilung liefern wie das erfindungsgemäße Design, oder bei denen über Sekundärmaßnahmen sichergestellt wird, dass es nicht zu übergroßen Heizdrahttemperaturinhomogenitäten kommen kann. Solche Sekundärmaßnahmen sind u.a. vorgeschaltete Filter, Lochbleche, Siebe etc., die z.B. bei hinreichendem Druckverlust ein relativ robustes Blockprofil der Anströmung und der Durchströmung des Heizwiderstands sicherstellen.
Für die Heizrippen 2 ist es insbesondere aus Leistungs-, Fertigungs- und Kostengründen sehr vorteilhaft, Aluminiumrippen aus dem Fahrzeugkühlerbau zu verwenden. Die hier bereits verfügbaren Materialien, Fertigungsverfahren und Packungsdichten ermöglichen es, mit nur sehr geringen Kosten extrem leistungsfähige el. Widerstandsheizungen aufzubauen und dabei im Bezug auf den Ersatz des PTC-Zuheizers mehr als ausreichende Sicherheitsreserven bereitzustellen. Heizrippendichten von mehr als 5 Rippen pro Zentimeter sind damit robust und ohne jegliches Kurzschlussrisiko realisierbar, so dass es z.B. möglich wird, auch die el. Leistung so zu begrenzen, dass in jedem im Normalbetrieb vorkommenden Betriebspunkt eine Solltemperaturdifferenz zwischen Heizrippe 2 und zu erwärmender Luft nicht überschritten wird. Dabei ist es insbesondere zur Vereinfachung der Sicherheitsüberwachung vorteilhaft, die Dimensionierung so vorzunehmen dass auch in der niedrigsten Gebläsestufe eine Temperaturdifferenz von 60K nicht überschritten wird. Dieser Wert enthält bereits eine gewisse Sicherheit gegen Temperaturinhomogenitäten. Im Normalbetrieb, d.h. bei Gebläsestufe 2-4 und der vielfach auf weniger als 1000W begrenzten Heizleistung resultiert hieraus eine extrem hohe Basissicherheit, d.h. die Heizrippen sind nur wenig wärmer als die Luftaustrittstemperatur.
Die Vorteile bestehen jedoch nicht nur in der Betriebssicherheit, sondern auch in den bereits beschriebenen Verfahrensoptionen, die es erlauben, Kenntnis über die Heizdrahttemperatur zu erhalten und damit mit und ohne PWM sehr genau zu wissen, welche Leistung tatsächlich abgegeben wird.
In der einfachsten Variante geschieht dies über die bekannte Kühlwassertemperatur am Heizungswärmetauschereintritt und dem Wirkungsgradkennfeld des Kabinenwärmetauschers. Angesichts der nur geringen Drahterwärmung kann im Extremfall aber sogar diese Korrektur des Heizwiderstands entfallen und ein Mittelwert für den Heizwiderstand zur Leistungsberechnung bzw. -überwachung herangezogen werden.
Das Verfahren zur Leistungsmessung und -regelung gemäß 5 liefert insbesondere eine relativ genaue Heizdrahttemperatur und erlaubt damit auch eine ausreichend genaue Berechnung der Heizleistung aus der Bordnetzspannung und dem PWM-Signal einschließlich der Sicherheitsüberwachungsoptionen.
Die Messung des Heizwiderstands kann wahlweise wie in 5 gezeigt in der Pulsphase oder wie in Bild 6 gezeigt auch in der Pulpause gemessen werden. In der Pulsphase erfolgt die Widerstandsmessung bevorzugt unter der vereinfachenden Annahme, dass der Widerstand des Schalttransistors konstant ist. Diese Annahme trifft nicht ganz zu, doch ist dieser Fehler aufgrund der Serienstreuung und der Leistungs- bzw. Temperaturabhängigkeit nicht sehr gravierend, speziell wenn eine hinreichend große Transistordimensionierung gewählt wird.
Unabhängig von der Methode zur Bestimmung der Heizdrahttemperatur ist es, insbesondere unter KFZ-typischen Sicherheitsgesichtpunkten, besonders vorteilhaft, wenn die spezifische el. Leistung bei Heizwiderständen mit Heizrippen 2 ohne Louvres 2a und/oder 2b, durch Regelung auf Werte kleiner als 3000W/m² eingestellt ist bzw. dieser Wert bei voller Betriebsspannung nicht überschritten werden kann. Die hier im Heizbetrieb üblichen Luftdurchsätze durch den el. Zuheizer stellen als Folge dieser Beschränkung i.a. zwangsläufig sicher, dass der Heizdraht nur wenig wärmer ist als die Luftaustrittstemperatur aus dem el. Zuheizer.
Sind Louvres integriert, so erhöht sich dieser für sichere KFZ-Anwendungen besonders geeignete Grenzwert auf 9000W/m². Dabei ist es bei Verwendung von Louvres durchaus zielführend und sicher, das volle Material- und Druckverlusteinsparpotenzial zu nutzen und spez. Heizleistungen von mehr als 3000W/m² zu verwenden. Bei extremen Sicherheitsanwendungen bzw. zur Verwendung von Gleichteilen kann hierauf aber auch verzichtet werden. Wie bereits beschrieben, ist angesichts des Temperaturspielraums und gegebenenfalls der zusätzlichen Kenntnis der Heizdrahttemperatur eine hochgenaue Anpassung der Regelparameter bzw. eine Anwendung fahrzeugspezifisch unterschiedlicher Maßnahmen im Normalfall nicht nötig.
Sollen – trotz der ausführlich beschriebenen Kosteneinsparmöglichkeiten der füi völlig neue Fahrzeuglinien eigentlich zu bevorzugenden 1- oder maximal 2-stufigen el. Heizung mit stufenloser Regelung – dennoch 3 oder gar noch mehr Stufen zur Leistungsanpassung verwendet werden, so eröffnet das erfindungsgemäße Hochleistungsdesign mit Louvres ein erhebliches Zusatzpotenzial, durch entsprechende hohe Heizrippendichte und reduzierte Rippentiefe, die gewünschte Widerstandsstufung mit Materialdicken der Heizrippen zu erreichen, die aus Festigkeits- und Dauerhaltbarkeitsgründen erforderlich sind.
Zum Schutz des Bordspannungsnetzes ist es je nach Anwendungsumfeld im KFZ vorteilhaft, in der Frühphase des Heizungswarmlaufs, insbesondere bei tiefen Umgebungstemperaturen, die PWM so einzustellen, dass keine Überlastung der Stromversorgung auftritt, obwohl hier der Aluminiumheizwiderstand für einige Minuten deutlich unter seinem normalen Arbeitswiderstand liegt. Doch selbst ohne PWM , d.h. bei 3- oder mehrstufiger Schaltung hält sich das Überhitzungsrisiko bei kurzfristig etwas überhöhter Leistungsentnahme in Grenzen, da anfangs nicht nur die Heizrippen sondern auch die Leistungstransistoren und auch die Lichtmaschine auf reduzierter Temperatur liegen.
Speziell für das im KFZ für zukünftige KFZ bevorzugt angestrebte Temperaturfenster der Heizdrahttemperaturen, zeigt z.B. Aluminiumheizdraht mit der erfindungsgemäß sehr großzügigen Heizflächendimensionierung, ausgehend vom Kaltstart bei z.B. –20°C bis hin zum Ausschalten der el. Zuheizung bei beispielsweise 80°C Kühlwassertemperatur, eine Widerstandsabnahme um ca. 40%. Die Widerstandsauslegung erfolgt hier bevorzugt auf die Nennleistung kurz vor dem Ausschalten der el. Zuheizung – d.h. z.B. auf 1kW Nennleistung bei 50°C Lufteintrittstemperatur in den Zuheizer – und die Regelung mittels der einzelnen Stufen oder mittels PWM stellt gegebenenfalls die gewünschte Leistungsbegrenzung sicher. Damit ist die Nennleistung bei dieser bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Regelverfahrens im Gegensatz zu einem PTC-Zuheizer im gesamten Bereich von –20°C bis 50°C Lufteintrittstemperatur in den el. Zuheizer verfügbar. Heute in KFZ verwendete PTC-Zuheizer, die bei –20°C eine Leistung von 1 kW umsetzen können, fallen hier ohne entsprechende Überdimensionierung und reglungstechnische Zusatzmaßnahmen um bis zu 50% und mehr in ihrer Leistung ab. Daher ist der erfindungsgemäße el. Zuheizer einem konvenzionellen PTC-Zuheizer selbst ohne PWM und selbst bei dem relativ großen Temperaturgang des Aluminiums überlegen. Dabei liegt anhand der obigen Ausführungen auf der Hand, dass sich dieser Kosten- und Leistungsvorteil mittels Feinabstimmung des Widerstandsmaterials, der Stufenzahl und im Normalfall durch die an rein ohmscher Last ohnehin sehr preiswert realisierbare PWM, oder angesichts der guten Wärmeabfuhr an der erfindungsgemäßen Heizung gegebenenfalls sogar lineare, Widerstandsregelung noch dramatisch erhöht. Zur Feinabstimmung ist in diesem Zusammenhang insbesondere Messing besonders geeignet. So liefert z.B. CuZn20 im Vergleich zu Aluminium oder Kupfer einen Temperaturgang von etwas weniger als der Hälfte. Das ist einerseits noch ausreichend, um gegebenenfalls die mittlere Heizdrahttemperatur mit einfachen Mitteln zu messen, andererseits aber auch bereits so wenig Temperaturgang, dass sich auch in Verbindung mit einer nicht stufenlosen Leistungsregelung noch zusätzliche Leistungsvorteile realisieren lassen.
Wie bereits beschrieben, ist grundsätzlich auch ein Verzicht auf die PWM-Regelung möglich, gegebenenfalls unter Beibehaltung der heute üblichen dreistufigen Schaltregelung. Dabei ist es in Bezug auf die Betriebssicherheit besonders hilfreich, wenn die Temperatur- bzw. Leistungsvorgaben bereits durch die Grundauslegung der Heizrippendimensionen und Materialien bei voller Betriebsspannung sichergestellt werden, da dann die Möglichkeiten bei potenzieller Übertemperatur die Leistung zurückzuregeln nicht oder nur stufenweise verfügbar sind. Dabei ist zur vollen Ausnutzung der verfügbaren el. Leistung gegebenenfalls mittels Auswahl des Heizdrahtmaterials darauf zu achten, dass der Temperaturgang des Widerstands mit der Anzahl der Heizstufen kompatibel ist. Eine analoge Sicherheitsstrategie ist auch bei PWM-Reglung als Zusatzabsicherung bei besonders hohen Sicherheitsanforderungen vorteilhaft. Bei reduzierten Sicherheitsanforderungen hingegen ist es jedoch wirtschaftlicher, mit weniger Heizwiderstandsmaterial zu arbeiten und die Temperaturpotenziale mittels der PWM weitgehend auszureizen.
Zur Einsparung von Heizdrahtmaterial oder zur zusätzlichen Erhöhung der Betriebssicherheit ist es grundsätzlich vorteilhaft, wenn eine untere Einschaltgrenze der Gebläsestellung und/oder eine obere Einschaltgrenze der Kühlwasser- oder der Lufttemperatur zur Absicherung der Grenzwerte hinzugezogen wird.
In 5 nicht explizit eingezeichnet, aber je nach Anforderung zur Erhöhung der Betriebssicherheit mit geringem Aufwand als Ergänzung zu realisieren sind Maßnahmen, wie sie z.B. 7 zu entnehmen sind: Hier nehmen Leistungstransistoren oder Relais die Leistungszufuhr zur Heizung in Abhängigkeit von einem Einschaltsignal einer elektronischen Ansteuerung vor – das kann insbesondere ein Micro-Prozessor des Klimasteuergeräts, der Motorsteuerung oder der Zuheizung selbst sein – und anwendungsspezifische aber autarke Temperaturschalter, in 7 exemplarisch mit TS1 bis TS3 dargestellt, beeinflussen das Ansteuersignal so, dass eine reversible oder eine irreversible Leistungsabschaltung erfolgt. Bei Relais genügt hier im Normalfall eine Unterbrechung der Steuerleitung. Bei Transistoren als Schaltelement ist hier je nach Anwendung ein Öffnen oder Schließen vorzuziehen, gegebenenfalls mit einem „Pullup" oder „Pull-down" Widerstand, der auch bei einem Öffnungsvorgang einen definierten Spannungspegel an den Transistor anlegt.
Sollen in derartigen Regel- und Überwachungsverfahren die Leistungstransistoren zur Maximierung der Kühlwirkung im Kabinenluftstrom und insbesondere unter Nutzung lokaler Kühlrippenzonen direkt an der el. Zuheizung angeordnet werden, so sind insbesondere solche Anwendungen sehr kosteneffektiv, bei denen lediglich die Leistungstransistoren und gegebenenfalls die autarken Temperaturschalter im Signalkreis sowie die zugehörigen „Pull-up" oder „Pull-down" Widerstände hier hin verlegt werden und die gesamte Ansteuerung vom Micro-Prozessor des Heizungssteuergeräts übernommen wird. Die Sicherheit einer derartigen Ausgestaltung ist dabei selbst bei unbeabsichtigter Unterbrechung der Steuerleitung z.B. durch Kabelbruch gewährleistet, gegebenenfalls mittels redundanter Absicherung über die Temperaturschalter TS1/TS2/TS3, die interne Temperaturabschaltung der Leistungstransistoren sowie das Schmelzlot im Leistungsstromkreis.
Eine Kostenanalyse zeigt, dass sich selbst bei einer Kombination mehrerer dieser Sicherheitsmaßnahmen eine im Vergleich zum PTC-Zuheizer wesentlich preiswertere Leistungsregelung und Sicherheitsüberwachung mit einem zusätzlichen Sicherheitsvorteil realisieren lässt. Dies gilt bereits bei Zuheizern mit drei und mehr Heizstufen, ganz besonders jedoch wenn das volle erfindungsgemäße Potenzial ausgenutzt und auf nur eine oder maximal 2 Stufen mit PWM-Regelung übergegangen wird. Dabei sind Ausführungen besonders einfach und kosteneffektiv, die nur einen Heizwiderstand und nur einen zur Kühlung daran angebrachten Leistungstransistor aufweisen, der die Heizleistung mit nur einer einzigen, vom i.a. im Armaturenbrett angeordneten Heizungssteuergerät angesteuerten, Signalleitung einbzw. ausschaltet. In Verbindung mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen zu Minimierung der Transistorerwärmung sowie zur Maximierung der Transistorkühlung wird dies trotz der Grenzen der heute verfügbaren Leistungstransistoren durch eine entsprechend hohe Schaltfrequenz möglich. Bei dieser Vorgehensweise reduziert sich die an der el. Zuheizung anzubringende Elektrik auf die Leistungsleitungen, eine Steuerleitung und einen „Pull-up" bzw. „Pull-down" Widerstand, gegebenenfalls mit einem Temperaturschalter in Reihe mit de Signalleitung. Im Gegensatz zu den am Markt zu findenden PTC-Zuheizern, mit drei und mehr Stufen sowie aufwändigen an der el. Zuheizung angebrachten Logikbausteinen bzw. gar mit Micro-Prozessor und Can-Controllern an der el. Zuheizung, ist eine derartige Ausgestaltung nicht nur kosteneffektiver in der Anschaffung, sondern auch wesentlich weniger störungsanfällig. Angesichts des erheblichen Kostenvorteils ist es sogar noch kosteneffektiv, zwei der soeben beschriebenen Heizwiderstände mit PWM-Regelung und Sicherheitsüberwachung in die KFZ-Heizung zu integrieren und durch phasenversetztes Ansteuern die Spitzenströme zugunsten der EMV zu halbieren, gegebenenfalls können hier aber auch Hochleistungskondensatoren in bekannter Weise zur Befriedigung extremer EMV-Anforderungen herangezogen werden.
Die vorgestellten Beispiele zur elektronischen Absicherung der el. Heizung gegen Überhitzen lassen sich sehr robust gegen alle für KFZ erdenklichen Fehlermöglichkeiten ausführen. Zusätzliche autarke Sicherheitsschalter, die Dimensionierung der Heizwiderstandsoberfläche sowie die erfindungsgemäße Einbindung in das Umfeld Heizung/Lüftung/Klima sorgen dabei i.a. bereits dafür, dass selbst bei einem Ausfall mehrerer Sicherheitsstufen keine Risiken für den Fahrer bzw. das Fahrzeug entstehen.
Dennoch bleibt darüber hinaus die direkte Schmelzsicherung zur direkten Stromunterbrechung im Leistungszweig angesichts ihrer nahezu vernachlässigbaren Kosten auch für die Schaltung gemäß 5 als zusätzliche finale Sicherheitsstufe attraktiv. Selbst ein Kurzschluss des Leistungstransistors oder ein Kurzschluss gegen Masse bleibt damit ebenso ohne Folgen wie eine Verpolung der Leistungsanschlüsse. Dabei bleibt es der spezifischen Anwendung überlassen, ob dies als ultimative Absicherung genügt oder ob der Kostenaufwand für spezielle Transistoren oder el. Leistungschips mit spezieller Kurzschlussüberwachung und Kurzschlussabschaltung getrieben wird.
In diesem Zusammenhang ist es beim erfindungsgemäßen Heizwiderstand mit seiner besonders einfachen Integrationsmöglichkeit für Halbleiter und seiner effektiven Wärmeabfuhr vielfach wesentlich preiswerter und gleichzeitig sicherer, mit Kurzschlussdioden zu arbeiten.
Zur Erhöhung der Verpolungssicherheit kann darüber hinaus einfach eine Leistungsdiode mit dem Heizwiderstand dem Leistungstransistor in Reihe geschaltet werden.
Als weitere, besonders sichere und angesichts der erfindungsgemäßen Bevorzugung 1- bis 2 stufiger Heizwiderstände immer noch wirtschaftliche Absicherungsvariante kann auch sehr vorteilhaft mit zwei Schalttransistoren in Reihe gearbeitet werden: Dies liefert eine Redundanz für das el. Abschalten der Leistung und eröffnet zusätzliches Potenzial bezüglich schneller PWM und Sicherheitsüberwachung. Dazu wird bevorzugt ein relativ aufwändiger erster Leistungstransistor mit integrierter Sicherheitstechnik, z.B. gegen Kurzschluss, Übertemperatur, Überspannung und Verpolung, zum Ein- bzw. Ausschalten der Leistung verwendet und ein zu diesem in Reihe liegender zweiter Leistungstransistor ohne aufwändige Sicherheitstechnik übernimmt im eingeschalteten Zustand die Leistungsregelung mittels PWM. Dabei stellt es insbesondere für den ersten Leistungstransistor aufgrund des einmaligen Einschaltvorgangs kein Problem dar, dass die heute verfügbaren „High Side" Leistungstransistoren mit derart integrierter Sicherheitstechnik, wie z.B. der Transistor BTS650P, nur eine relativ langsame Schaltgeschwindigkeit aufweisen. Als zweiter Transistor kommt dann je nach Schaltfrequenz und Kühlpotenzial bevorzugt ein einfacher Mosfet, insbesondere ein schneller „Low-Side" Mosfet zum Einsatz.
Neben den Vorteilen bezüglich der Betriebssicherheit kann der zusätzliche „High Side" Leistungstransistor in manchen Fahrzeugen auch sehr vorteilhaft dazu verwendet werden, die Leistungsleitungen der Heizung ohne die übliche Kurzschlusssicherung direkt an die Batterie zu führen und das Einschalten lediglich über die Steuerleitung vorzunehmen.
Insbesondere die Beschränkung auf 1-2 Heizwiderstandstufen, die sehr gute Wärmeabfuhr sowie das geringe Temperaturniveau am erfindungsgemäßen Wärmetauscher machen diese extrem sicheren Varianten mit in Reihe geschalteter Leistungsdiode oder gar zwei in Reihe liegenden Leistungstransistoren mit vertretbarem Aufwand möglich.

Claims

Heizvorrichtung zur direkten Beheizung der durch ein Heizgerät geförderten Luft oder zur Dissipation el. Energie, mittels eines elektrischen Stroms, der durch mindestens einen Heizwiderstand fließt und dadurch dessen Oberfläche erwärmt, welche gleichzeitig die maßgebliche luftseitige Wärmeübertragungsfläche ist, insbesondere Heizvorrichtung für die Beheizung der Fahrgastkabinenluft von KFZ mit Niedervolt-Bordspannungsnetz, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand aus zwei oder mehr Lagen als Zickzackband gefalteter Heizrippen 2 gebildet wird, die durch Zwischenlagen eines el, isolierenden Materials 4 separiert und mechanisch stabilisiert werden, wobei der el. Strom längs des Zickzackbandes fließt, während die Luft primär senkrecht dazu durch die aus dem Heizrippen 2 und die Zwischenlagen 4 gebildeten Strömungskanäle strömt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlagen 4 aus Materialien mit el. isolierender Oberfläche und mit ausgewählt guten Wärmeleitungseigenschaften gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlagen 4 aus el. isolierten Metallplättchen, insbesondere aus el. isolierten Aluminium, Kupfer oder Messingplättchen gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur el. Isolation der Zwischenlagen 4 eine Teflon- oder Kaptanbeschichtung erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur el. Isolation der Zwischenlagen 4 el. isolierende Schläuche über ein stabilisierendes Basismaterial gezogen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur el. Isolation Oxidschichten auf den Zwischenlagen 4 und/oder den Heizrippen 2 und/oder den Rahmenelementen 5a, 5b, 6a, 6b herangezogen werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur el. Isolation eine Eloxierung der Zwischenlagen 4 und/oder der Heizrippen 2 und/oder der Rahmenelemente 5a, 5b, 6a, 6b, insbesondere eine Eloxierung von Aluminium, erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Kontaktierung an den äußeren Enden des Zickzackbandes 2 erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Kontaktierung an den äußeren Lagen 4a und/oder 4b der Zickzackbänder und insbesondere bei mehrstufigen Widerständen an inneren Lagen 4c erfolgt, indem hier die el. Isolation aufgehoben wird, so dass die el. Stromzu- und/oder Stromabfuhr über die Auflagepunkte des Zickzackbandes 2 erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis von stromdurchflossener Heizrippengesamtlänge des Zickzackbands zur Heizrippentiefe von mehr als 50 vorliegt, und dass insbesondere eine Heizrippendichte von mehr als 5 Rippen pro Zentimeter vorliegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Kontaktierung so erfolgt, dass mehrere Lagen Zickzackbänder el. parallel liegen und einen Einzelheizwiderstand bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Kontaktierung so erfolgt, dass mehrere Lagen Zickzackbänder el. in Reihe liegen und einen Einzelheizwiderstand bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Kontaktierung so erfolgt, dass mehrere Einzelheizwiderstände bei Bedarf separat mit Strom beaufschlagt und insbesondere wahlweise in Reihe und parallel geschaltet werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zickzackband quer zur Luftströmungsrichtung eine Vielzahl von Einschnitten, insbesondere mit paralleler Strömungsumlenkung 2a und/oder 2b, zur Verbesserung des Wärmeübergangs pro Heizdrahtfläche aufweist, und dass insbesondere die einzelnen Einschnitte zugunsten eines ausreichenden Temperaturausgleichs weniger als 10 mm lang sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstandsheizdrahtmaterial mit einem geringen Temperaturkoeffizienten des el. Widerstands, insbesondere konvenzioneller Heiz- oder Widerstandsdraht auf CrNi-Basis oder CuNi-Basis, verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Widerstandsheizdrahtmaterial mit einem mit einfachen Mitteln messbaren Temperaturgang des el. Widerstands, insbesondere Aluminium, Kupfer oder Messing, verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der Wärmeübergangsrandbedingungen mindestens so großzügig gewählt wird, dass die erwärmungsbedingte Veränderung des el. Widerstands eine obere Grenze nicht überschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine el. Leistungsregelung sicherstellt, dass die temperaturbedingte Veränderung des el. Widerstands kompensiert wird und dass insbesondere keine el. oder thermische Überlastung bei veränderten Umgebungsbedingungen auftritt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16–18, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturbedingte Veränderung des el. Widerstands zur Leistungsregelung oder Sicherheitsüberwachung gemessen und ausgewertet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16–19, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturbedingte Veränderung des el. Widerstands zur Leistungsregelung oder Sicherheitsüberwachung dadurch ausgewertet wird, dass ein zum Schalten oder Regeln verwendeter Leistungshalbleiterchip gleichzeitig ein Messsignal für den Strom liefert, welches in Verbindung mit der anliegenden Spannung und einer genau definierten, bevorzugt linearen, Widerstandskennlinie des Heizwiderstands in ein Temperatursignal umgerechnet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16–19, dadurch gekennzeichnet, dass die temperaturbedingte Veränderung des el. Widerstands zur Leistungsregelung oder Sicherheitsüberwachung dadurch ausgewertet wird, dass ein zum Schalten oder Regeln verwendeter Leistungstransistor den Strom im Leistungszweig kurzfristig unterbricht, der Heizwiderstand in dieser Stromunterbrechungsphase mit einem Widerstandsnetzwerk geringer el. Leistung gemessen und in Verbindung mit der anliegenden Spannung und einer genau definierten, bevorzugt linearen, Widerstandskennlinie des Heizwiderstands in ein Temperatursignal umgerechnet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–21, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Heizwiderstandslagen aus einem Zickzackband 2 gebildet werden, welches an abwechselnd rechten und linken Zwischenlagen 4 des el. isolierenden Materials jeweils eine 180° Umlenkung zur nächsten Lage erfährt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–22, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen der Zickzackbänder seitlich durch el. isolierte U-Profile gegen Verrutschen gesichert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–23, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen der Zickzackbänder mittels der abwechselnd rechten und linken Zwischenlagen 4 des el. isolierenden Materials seitlich durch el. isolierte U-Profile gegen Verrutschen gesichert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–24, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen der Zickzackbänder und die Zwischenlagen 4 durch den Anpressdruck der Rahmenelemente 5a und 5b fixiert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–24, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen der Zickzackbänder und die Zwischenlagen 4 durch Verkleben oder eine nach der Montage erfolgende Lackierung fixiert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–24, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen der Zickzackbänder und die Zwischenlagen 4 durch Verlöten fixiert werden, wobei abwechselnd mit Metall beschichtete und unbeschichtete Zonen der Zwischenlage 4 zur Verlötung und Isolation dienen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–27, dadurch gekennzeichnet, dass als Sicherheitsabschaltung bei Übertemperaturen im Wirkbereich des Heizwiderstands ein oder mehrere Sicherheitsschalter vorgesehen sind, die unabhängig von der Steuerung und Regelung der Leistung lokale Temperaturen überwachen und das Steuersignal für die Leistungstransistoren oder Leistungsrelais bei Überschreiten von Temperaturgrenzwerten reversibel oder irreversibel übersteuern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–28, dadurch gekennzeichnet, dass als letzte Sicherheitsabschaltung bei Übertemperaturen eine lokale Zone des el. Leistungsstrompfades im Heizwiderstand oder in dessen Wirkbereich vorgesehen ist, die den el. Leistungsstromkreis bei ungenügender Kühlung des Heizwiderstands mit einer Schmelzsicherung direkt und irreversibel abschaltet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–29, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwendung der el. Heizung im KFZ erfolgt und die Fahrzeugklimaregelung oder das manuelle Steuergerät die Ansteuerung der Heizung im Normalbetrieb übernimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–30, dadurch gekennzeichnet, dass vor Einschalten oder zur Sicherheitsabschaltung der el. Heizung Informationen, insbesondere zur Bestimmung der Lufttemperaturen vor und hinter dem el. Zuheizer, des Kabinenluftmassenstroms und der Gebläsestellung einschließlich dessen Funktionsfähigkeit aus dem Klimasteuergerät oder in Fahrzeugen auch aus dem Datenbus, dem Fehlerspeicher oder der Motorsteuerung herangezogen werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–31, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussstecker der el. Heizung Pin-Kompatibel zu bereits entwickelten oder schon am Markt befindlichen PTC-Zuheizern in KFZ sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–32, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungstransistoren zum Schalten bzw. Regeln der Heizleistung in das Klimasteuergerät integriert sind und die Regelung und Temperaturüberwachung ausschließlich mit den im Klimasteuergerät verfügbaren Daten und den el. Leistungsleitungen am Klimasteuergerät erfolgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalttransistoren selbst bei stufenlos pulsweitenmodulierter Leistungsregelung der Heizleistung im Klimasteuergerät sind.
Verfahren zur el. Beheizung der Kabinenluft von KFZ, insbesondere Verfahren unter Verwendung der Widerstandsheizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 34 oder einem andern Heizwiderstand mit vergleichbar abgesicherter Homogenität der Heizdrahttemperaturverteilung, dadurch gekennzeichnet, dass die el. Leistung so begrenzt ist, dass in jedem im Normalbetrieb vorkommenden Betriebspunkt eine Solltemperaturdifferenz zwischen Heizrippe 2 und zu erwärmender Luft nicht überschritten wird, insbesondere dass auch in der niedrigsten Gebläsestufe eine Temperaturdifferenz von 60K nicht überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische el. Leistung bei Heizwiderständen mit Heizrippen 2 ohne Louvres 2a und/oder 2b, durch Regelung auf Werte kleiner als 3000W/m² eingestellt ist und insbesondere, dass dieser Wert auch bei voller Betriebsspannung nicht überschritten werden kann.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische el. Leistung bei Heizwiderständen mit Heizrippen 2 mit Louvres 2a und/oder 2b, durch Regelung auf Werte kleiner als 9000W/m² eingestellt ist und insbesondere, dass dieser Wert auch bei voller Betriebsspannung nicht überschritten werden kann.
Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische el. Leistung bei Nennleistung mehr als 3000W/m² beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35–37, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsregelung entfällt und die Temperatur- und/oder Leistungsvorgaben durch die Grundauslegung der Heizrippendimensionen und -materialien bei voller Betriebsspannung sichergestellt werden, und dass insbesondere eine untere Einschaltgrenze der Gebläsestellung und/oder eine obere Einschaltgrenze der Kühlwasser- oder Lufttemperatur zur Absicherung der Grenzwerte hinzugezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35–39, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungstransistoren oder Relais die Leistungszufuhr zur Heizung in Abhängigkeit von einem Einschaltsignal einer elektronischen Ansteuerung, insbesondere eines Micro-Prozessors des Klimasteuergeräts, der Motorsteuerung oder der Zuheizung selbst, vornehmen und dass autarke Temperaturschalter das Ansteuersignal so beeinflussen, dass eine reversible oder eine irreversible Leistungsabschaltung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35–40, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung PWM-geregelt ist und eine weitgehend lineare Temperaturzunahme eines metallischen Heizwiderstands 2 mittels Widerstandsmessung in die entsprechende Heizdrahttemperatur umgerechnet und zur Regelung und/oder Sicherheitsüberwachung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessung über einen zumindest in der Pulspause anliegenden Messwiderstand erfasst wird, der die Betriebsspannung oder eine andere bekannte Spannung an den Heizwiderstand anlegt.
Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsmessung dadurch erfolgt, dass der Strom durch den Heizwiderstand in der Pulsphase gemessen wird und insbesondere, dass die Heizwiderstandsmessung dadurch bestimmt wird, dass der Widerstand des Schalttransistors als konstant angenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35–43, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Schmelzsicherungen im Leistungszweig als irreversible aber autarke Absicherung zur Abschaltung im Fehlerfall, insbesondere gegen Überschreiten maximaler Heizdraht- oder Luftaustrittstemperaturen, dienen.
Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung im Normalbetrieb aufgrund ihrer Eigenerwärmung eine höhere Oberflächentemperatur aufweist als der Heizwiderstand, und dass insbesondere deren Sicherheitsabstand zur Schmelztemperatur kleiner ist als der Sicherheitsabstand des Heizdrahts zur maximalen Draht- oder Luftaustrittstemperatur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 44–45, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelzsicherung im Leistungszweig eine Heizwiderstandsdrahtzone mit gezielt überhöhter Temperatur zum Einsatz kommt, so dass in dieser lokal überhöhten Temperaturzone ein definierter Schmelzvorgang zur irreversiblen Sicherheitsabschaltung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 44–45, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelzsicherung im Leistungszweig ein Runddraht, insbesondere ein Draht aus Lötzinn, zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass der Runddraht eine definierte Mindestlänge aufweist, so dass die Wärmeleitung in den Kontaktstellen keinen Einfluss auf die Schmelzbedingungen hat, insbesondere, dass sich der Runddraht über den beheizten Luftströmungskanal erstreckt.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–48, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwendung als KFZ-Heizung erfolgt und insbesondere bekannte KFZ-PTC-Zuheizsysteme ersetzt.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass weniger als 3 Heizwiderstandsstufen verwendet werden und insbesondere, dass eine PWM-Leistungsregelung mit im Vergleich zu heutigen PTC-Anwendungen erhöhter Schaltfrequenz und nur einer Heizwiderstandsstufe verwendet wird.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 49–50, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Leistungstransistor pro Stufe und insbesondere nur ein Leistungstransistor für die gesamte KFZ-Heizung verwendet wird.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 49–51, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungstransistoren bei PWM-Leistungsregelung nicht an der el. Zuheizung oder durch Einbau in den aufzuheizende Luftstrom gekühlt werden, sondern ins Heizungssteuergerät integriert sind.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb die gesamte Heizleistungsregelung und Sicherheitsüberwachung ausschließlich mittels der Leistungsleitungen erfolgt und keine Messsignalleitungen vom Heizungssteuergerät zur Heizung benötigt werden.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 49–51, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungstransistoren bei PWM-Leistungsregelung an der el. Zuheizung angebracht sind und gekühlt werden und neben den Leistungsleitungen weniger als 3 Überwachungs- und Steuerleitungen zur PWM-Leistungsregelung und -überwachung herangezogen werden, welche durch einen auch ohne Zuheizer im KFZ verfügbaren Micro-Prozessor, insbesondere den Micro-Prozessor der Motorsteuerung oder der Heizungsund Klimasteuerung, mit Signalen versorgt werden.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 49–54, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungstransistoren ihr Signal über eine Leitung empfangen, welche im Fehlerfall oder zur Temperaturbegrenzung zumindest durch einen autarken Temperaturschalter zur Überwachung der Heizdrahtoder Luftaustrittstemperatur übersteuert werden.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 49–55, dadurch gekennzeichnet, dass über direkt an den Leistungstransistoren angeschlossene Widerstände sichergestellt wird, dass der Leistungsstromkreis bei Unterbrechung der Signalleitungen zur Ansteuerung der Leistungstransistoren dadurch zwangsläufig unterbrochen wird, dass ein mittels der an den Transistorsignaleingang angeschlossenen Widerstände definiertes Spannungspotential den Transistor ausschaltet.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 49–56, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsdiode mit dem Heizwiderstand und dem Leistungstransistor in Reihe liegt.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 49–56, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Heizwiderstand und einem ersten Leistungstransistor zusätzlich ein zweiter Leistungstransistor in Reihe liegt.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungstransistor Sicherheitsfunktionen, insbesondere gegen Überstrom, Übertemperatur, Überspannung, Unterspannung und Verpolung, integriert hat und insbesondere die Betriebsspannung beim Einschalten der Heizung an den Heizwiderstand und den zweiten Leistungstransistor anlegt.
Verfahren oder Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 58–59, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Transistor eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist und über PWM die Leistung regelt und insbesondere bei Bedarf redundant zum ersten Leistungstransistor abschaltet.