DE19736066A1 - Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Beheizung des Fahrzeuginnenraums bei Kraftfahrzeugen erfolgt üb­ licherweise mittels des Kühlwassers des Antriebsaggregates, so daß die in der Brennkraftmaschine entstehende Wärme bedarfsweise an die in den Fahrzeuginnenraum strömende Luft abgegeben wird. Diese Wärme steht jedoch erst nach einer bestimmten Betriebsdauer zur Verfügung, so daß ins­ besondere in der kalten Jahreszeit das Wirksamwerden der Heizung als un­ zureichend empfunden wird. Auch durch die Entwicklung neuer Motoren, in denen weniger Wärmeenergie anfällt und über das Kühlwasser abgeführt wird, steht zur Fahrzeugheizung eine geringere Wärmeenergie zur Verfü­ gung, die bei extrem niedrigen Außentemperaturen keineswegs zur Fahr­ zeugheizung ausreicht und die auch bei normalem Heizungsbedarf erst bei erheblicher zeitlicher Verzögerung zu behaglichen Innenraumtemperaturen führt.

Aus den vorstehenden Gründen wurden bereits Zusatzheizungen vorge­ schlagen, die in den Luftführungskanal eingesetzt werden und die Wärme an die in den Fahrzeuginnenraum strömende Luft abgeben. Die Anordnung einer Zusatzheizung zwischen einem Wärmetauscher einer Fahrzeughei­ zungsanlage und der Fahrzeugkabine ist beispielsweise in dem Aufsatz von Burk, Krauss, Dr. Löhle "Integrales Klimasystem für Elektroautomobi­ le", ATZ Automobiltechnische Zeitschrift, 11/1992, beschrieben.

Aus der DE 44 34 613 A1 ist eine gattungsgemäße Heizeinrichtung bekannt, die mehrere parallel angeordnete Heizelemente umfaßt, die zu einem Block zusammengesetzt und in einem Rahmen befestigt sind. Zwischen jeweils zwei der Halterung und Stromzuführung dienenden Blechen sind PTC- Elemente gehalten und auf der jeweils anderen Seite der Bleche befindet sich eine mit den Blechen in wärmeleitender Verbindung stehende Wellrip­ pe. Der Block ist gehalten in einem aus zwei lösbar miteinander verbunde­ nen Rahmenteilen gebildeten Halterahmen, der zwecks elektrischer und thermischer Isolation aus Kunststoff besteht.

Diese Heizeinrichtung hat den Nachteil, daß der Block korrekt verspannt sein muß, damit keine Fehler in den elektrischen und wärmeleitenden Kon­ takten zwischen den PTC-Elementen, den Blechen und den Wellrippen auf­ treten. Es müssen deshalb spezielle Spannmittel vorgesehen sein. Dar­ überhinaus besteht die bekannte Heizeinrichtung aus einer Vielzahl von zu­ sammenzusetzenden Teilen. Insgesamt ergibt sich deshalb ein sehr hoher Montageaufwand bei der Herstellung, die somit entsprechend kostenungün­ stig ist. Zur Verspannung des Blockes muß der Rahmen ausreichenden Festigkeitsanforderungen genügen, so daß ausschließlich höherwertige und damit teurere Kunststoffe eingesetzt werden können. Auch ist eine ausrei­ chende Dauerstandfestigkeit nicht gewährleistet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte, elektrische Heizeinrichtung bereitzustellen, die insbeson­ dere einfach aufgebaut und kostengünstiger ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gattungsgemäße Heizeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Wenn erfindungsgemäß das Heizelement eine elektrische Widerstandshei­ zung ist, die als Wellrippe ausgebildet ist, und die Wellrippe elektrische An­ schlüsse für die Stromzuführung aufweist, können die bisher üblichen Heize­ lemente ersatzlos entfallen. Die an sich bekannte Wellrippe, die bisher zur Wärmeabfuhr von den Heizelementen und zum besseren Wärmeaustausch mit der Luft dienten sind nun erfindungsgemäß unmittelbar als Heizquelle ausgebildet. Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil, daß das Heizelement in einfacher Weise in dem elektrisch isolierenden Haltemittel gehalten sein kann. Das Haltemittel kann aus kostengünstigem Material, beispielsweise Kunststoff, bestehen, da es keine Festigkeitsanforderungen erfüllen muß, sondern lediglich das Heizelement, also die elektrisch heizbare Wellrippe, derart halten muß, daß die aufzuheizende Luft durch die Heizeinrichtung strömen kann. Das Haltemittel dient gleichzeitig als Isolation für die den Heizstrom führende Wellrippe. Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung ist in einfachster Weise montierbar, indem die Wellrippe lediglich in das Haltemit­ tel, das bevorzugt als aus zwei miteinander verbindbaren Rahmenhälften bestehenden Rahmen ausgebildet ist, einzulegen ist. Eine aufwendige Rahmenkonstruktion, wie sie für bekannte Heizeinrichtungen zum Verspan­ nen des Heizblocks notwendig ist, entfällt. Die Heizeinrichtung ist im Gegen­ satz zu der bekannten Heizeinrichtung mit PTC-Heizelementen unempfind­ lich gegenüber Feuchtigkeit.

Damit auf kleinstem Raum, beispielsweise in einem luftführenden Kanal ei­ ner Heizungs- oder Klimaanlage die Luft effektiv aufgeheizt werden kann, ist die Wellrippe in dem Haltemittel bevorzugt mäanderförmig gehalten. Da­ durch ist eine möglichst lange Wellrippe in dem Haltemittel festlegbar, mit der entsprechend hohe Heizleistungen möglich sind.

Alternativ kann die Wellrippe auch linienförmig gefaltet oder doppelspiral­ förmig aufgerollt sein. Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, daß das entsprechende Haltemittel eine einfache Form aufweisen kann.

Zur Variation der Heizleistung sind bevorzugt zwei parallel verlaufend gehal­ tene Wellrippen vorgesehen, die mittels Schaltmitteln einzeln abschaltbar oder seriell oder parallel miteinander verschaltbar sind.

Wenn die elektrischen Widerstände der beiden Wellrippen in etwa gleich groß sind, beispielsweise aufgrund eines gleichen spezifischen Widerstan­ des und gleicher Länge, sind drei unterschiedliche Leistungsstufen schalt­ bar. Bei Vorliegen von ungleich großen Widerständen sind vier Leistungs­ stufen erhalten, wobei sich eine gute Abstufung erreichen läßt, wenn der Unterschied in den Widerständen einen Faktor 2 beträgt. Ungleich große Widerstände lassen sich durch Verwendung unterschiedlichen Materials und damit bedingten unterschiedlichen spezifischen Widerständen oder bei glei­ chem spezifischen Widerstand durch unterschiedliche Länge, z. B. durch ein Längenverhältnis von 2 : 1, erreichen.

Wenn die Wellrippe in dem Rahmen formschlüssig gehalten ist, ist gewähr­ leistet, daß die Wellrippe auch bei starken Luftströmungen lagefest gehalten ist.

In kostengünstiger Weise besteht das Haltemittel bevorzugt aus Kunststoff und ist im Spritzgußverfahren herstellbar.

Durch Variation der Rippendichte, beispielsweise in einem Bereich von etwa 50 bis 90 Rippen pro dm, kann die Leistung eines einzelnen Heizelements, beispielsweise zwischen 500 W und 750 W, variiert werden und zwar bei identischen Haltemittelabmessungen.

Um eine Überhitzung der Heizelemente oder der gesamten Heizeinrichtung zu verhindern, ist vorteilhafterweise ein Schutzschalter vorgesehen, der oberhalb einer Grenztemperatur die Stromzufuhr unterbricht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung von der Anströmseite gesehen,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A aus Fig. 1,

Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen einer zweiten und einer dritten Ausführungsform,

Fig. 5 und 6 schematische Darstellungen einer vierten und einer fünften Ausführungsform,

Fig. 7 ein schematisches Schaltbild der vierten Ausführungsform,

Fig. 8a bis d schematische Schaltbilder der vierten (Fig. 8 a, c, d) und fünften (Fig. 8 a, b, c, d) Ausführungsform.

Eine in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße, elektrische Heizein­ richtung 10 weist wenigstens ein Heizelement 12 auf, das als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet ist, die wiederum als Wellrippe 14 ausge­ bildet ist. In der Zeichnung ist die Wellrippe 14 teilweise zwecks übersichtli­ cherer Darstellung lediglich bereichsweise dargestellt. Bevorzugt weist die Wellrippe sogenannte Kiemen auf, um einen erhöhten Wärmeaustausch zu ermöglichen. An ihren Enden weist die Wellrippe 14 elektrische Anschlüsse 16 und 18 für eine Stromzuführung auf.

In einem in Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist die Wellrippe 14 in einem Haltemittel 20 aus elektrisch isolierendem Material gehalten. Das Haltemittel 20 ist bevorzugt als Rahmen 21 ausgebildet, der aus zwei Rahmenhälften 22 und 24 besteht, die vorzugsweise lösbar über Befestigungsmittel 26 miteinander verbunden sind. Die Befestigungsmittel 26 können als Schrauben, Clipsverbindungen oder dergleichen ausgebildet sein.

Der Rahmen 21 mit seinen beiden Rahmenhälften 22 und 24 weist einen Durchbruch 28 auf. In dem Durchbruch 28 ist die Wellrippe 14 gehalten. An seinen den Flachseiten 21' und 21'' des Rahmens 21 zugeordneten Rän­ dern 30 bzw. 32 weist der Durchbruch 28 jeweils einen Absatz 31 bzw. 33 auf, so daß die Wellrippe 14 in dem Durchbruch 28 zwischen den Rahmen­ hälften 22 und 24 in etwa formschlüssig gehalten ist. Die Wellrippe 14 kann dann nicht durch die in Richtung 34 durch den Durchbruch 28 strömende Luft aus dem Durchbruch 28 herausgedrückt werden.

Der Durchbruch 28 hat in diesem ersten Ausführungsbeispiel Mäanderform, so daß eine Wellrippe mit relativ großer Länge in dem Rahmen 21 gehalten werden kann und eine möglichst große Luftmenge durch die Heizeinrichtung 10 in Richtung 34 hindurchströmen kann.

In einem zweiten, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wellrip­ pe 14 in dem Haltemittel 20 linienförmig gefaltet gehalten. Das Haltemittel 20 ist gebildet aus zwei kammartig ineinandergreifenden Rahmenteilen 40 und 42, die eine elektrische Isolation der einzelnen Wellrippenbahnen 44 ge­ geneinander bewirken. Die Rahmenteile 40 und 42 können mit der Wellrippe 14 verklebt oder über geeignete, nicht dargestellte Verbindungsmittel mit­ einander verbunden sein.

In einem dritten, in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wellrippe 14 in dem Haltemittel 20 doppelspiralförmig aufgerollt gehalten. Das Hal­ temittel 20 ist gebildet aus zwei die beiden Wellrippenbahnen 46 und 48 ge­ geneinander isolierende Streifen 50 und 52. Die Wellrippenbahnen 46 und 48 sind im Zentrum der Spirale miteinander verbunden. Dadurch befinden sich die elektrischen Anschlüsse 16 und 18 für die Wellrippe 14 am äußeren Rand der Spirale und sind einfach zugänglich. Es ist denkbar, daß durch Deformation der Spirale die erfindungsgemäße Heizeinrichtung der Quer­ schnittsform eines Luftkanals anpaßbar ist und/oder die Spirale in einem zusätzlichen Rahmen gelagert ist.

Der Rahmen 21 besteht bevorzugt aus Kunststoff und ist bevorzugt im Spritzgußverfahren herstellbar.

Durch Änderung der Rippendichte und die damit verbundene Verlängerung eines die Wellrippe 14 bildenden Blechbandes kann die Heizleistung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung 10, beispielsweise zwischen 500 W und 750 W bei 12 V, variiert werden. Bevorzugt beträgt die Rippendichte etwa 50 bis 90 Rippen pro dm.

In einem in Fig. 5 schematisch und ohne das Haltemittel dargestellten, vier­ ten Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Heizeinrichtung 10 zwei parallel verlaufend gehaltene Wellrippen 60 und 62 auf, die in diesem Beispiel linienförmig gefaltet sind. Die Isolation der beiden Wellrippen 60 und 62 mit ihren einzelnen übereinander gefalteten Wellrippenbahnen wird durch das nicht dargestellte Haltemittel bewirkt, das beispielsweise ähnlich wie das in dem ersten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein kann, also als zweiteiliger Rahmen in den die Wellrippen 60 und 62 eingelegt sind. Die Wellrippen 60 und 62 haben bevorzugt in etwa gleiche Länge und einen gleichen spezifischen Widerstand, so daß der elektrische Widerstand R bzw. R' der jeweiligen Wellrippe 60 bzw. 62 etwa gleich ist (R = R'). Die elektrischen Anschlüsse der Wellrippen 60 und 62 sind jeweils mit A und B bzw. A' und B' in der Zeichnung gekennzeichnet.

Weiter weist die elektrische Heizeinrichtung in dieser Ausgestaltung Schaltmittel 64 und 65 auf, mittels derer einzelne Wellrippen abschaltbar oder die Wellrippen in Reihe oder parallel miteinander verschaltbar sind (Fig. 7). Damit lassen sich die Wellrippen 60 und 62 in drei verschiedenen Variationen, wie in den Fig. 8a, 8c und 8d dargestellt, miteinander verschal­ ten. Die zu diesen Verschaltungen korrespondierenden Heizleistungen be­ tragen U²/2R (Serienschaltung Fig. 8a), U²/R (Fig. 8c) und 2U²/R (Parallelschaltung Fig. 8d), so daß die Heizleistung in drei Stufen über einen Faktor 4 geregelt werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist die sehr gleichmäßige Verteilung der beheizten Flächen in allen Heizstufen beson­ ders vorteilhaft.

Eine fünfte, in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform der Erfindung unter­ scheidet sich von der vierten Ausführungsform dadurch, daß hier die Well­ rippen 70 und 72 unterschiedliche elektrische Widerstände R und R' besit­ zen. Bevorzugt beträgt der Unterschied in etwa einen Faktor 2. Der Unter­ schied in den Widerständen R und R' kann entweder materialbedingt sein oder bei gleichem spezifischen Widerstand sich aufgrund der unterschiedli­ chen Länge der Wellrippen 70 und 72, wie bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel durch ein Längenverhältnis von annähernd 1 : 2, ergeben.

Mit geeigneten Schaltmitteln lassen sich dann die Wellrippen 70 und 72 ein­ zeln abschalten oder in Reihe bzw. parallel schalten. Die entsprechenden Schaltbilder sind in Fig. 8a bis d dargestellt. Beträgt beispielsweise R'=2R dann beträgt die Heizleistung bei Serienschaltung U²/3R (Fig. 8a), bei Zu­ schaltung der langen Wellrippe 72 mit größerem Widerstand U²/2R (Fig. 8b), bei Zuschaltung der kürzeren Wellrippe 70 mit kleinerem Widerstand U²/R (Fig. 8c) und bei Parallelschaltung 1,5 U²/R (Fig. 8d). Die Heizleistung ist damit in vier Stufen über einen Faktor 4,5 regelbar.

Es wäre auch denkbar, zum Erzeugen unterschiedlicher Heizleistungen, mehrere der erfindungsgemäßen Heizeinrichtungen in Luftströmungsrich­ tung hintereinander anzuordnen und so eine Regelung durch Zu- und Ab­ schalten einzelner Heizeinrichtungen zu ereichen. Selbstverständlich kön­ nen die einzelnen Heizeinrichtungen in ihrer Heizleistung variabel sein, wie Heizeinrichtungen der Ausführungsbeispiele vier und fünf.

Um eine Überhitzung der Wellrippen 14, 60, 62, 70, 72 oder der gesamten Heizeinrichtung 10 zu vermeiden, ist bevorzugt ein - nicht dargestellter - Thermoschutzschalter vorgesehen, der in geeigneter Weise bei Überhitzung die Stromzufuhr unterbricht.

Claims (14)

1. Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Heizelement (12), das durch elektrischen Stromfluß aufheizbar ist, zur Aufheizung der durch die Heizeinrichtung (10) durchströmenden Luft und mit einem Haltemittel (20) aus elektrisch isolierenden Material zum Halten des Heizelements (14; 60, 62; 70, 72), dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Heizele­ ment (12; 60, 62; 70, 72) eine elektrische Widerstandsheizung ist, die als Wellrippe (14; 60, 62; 70, 72) ausgebildet ist, und die Wellrippe (14; 60, 62; 70, 72) elektrische Anschlüsse (16 und 18) für die Strom­ zuführung aufweist.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrippe (14) durch das Haltemittel (20) mäanderförmig gehalten ist.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrippe (14) linienförmig gefaltet gehalten ist.

4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellrippe (14) doppelspiralförmig aufgerollt gehalten ist, so daß die elektrischen Anschlüsse (16 und 18) an den Enden der Wellrippe (14) am äußeren Rand der Spirale liegen.

5. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zwei parallel verlaufend gehaltene Wellrippen (60 und 62; 70 und 72) vorgesehen sind, die mittels Schaltmitteln (64) einzeln abschaltbar oder seriell oder parallel mit­ einander verschaltbar sind.

6. Heizeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellrippen (60 und 62) einen elektrischen Widerstand (R bzw. R') von in etwa gleicher Größe aufweisen.

7. Heizeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellrippen (70 und 72) jeweils einen elektrischen Widerstand (R bzw. R') von unterschiedlicher Größe, bevorzugt beträgt der Unter­ schied einen Faktor 2, aufweisen.

8. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Haltemittel (20) als Rahmen (21) ausgebildet ist, in dem die wenigstens eine Wellrippe (14; 60, 62; 70, 72) formschlüssig gehalten ist.

9. Heizeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (21) aus zwei Rahmenhälften (22 und 24; 40 und 42; 50 und 52) besteht.

10. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Haltemittel (20, 21) aus Kunststoff besteht.

11. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rippendichte der Wellrippe (14; 60, 62; 70, 72) etwa 50 bis 90 Rippen pro dm beträgt.

12. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Schutzschalter vorgesehen ist, der bei Überhitzung des Heizelements oder der Heizeinrichtung die Stromzufuhr unterbricht.

13. Heiz- oder Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

14. Heiz- oder Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 13, da­ durch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizeinrichtung eine Zu­ satzheizung zu einem vom Kühlmittel durchströmten Wärmetauscher bildet.