DE19846282A1 - Beheizbare Wand - Google Patents
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Abstract
Für eine beheizbare Wand, insbesondere ein Heizrohr, wird eine Befestigung für die Heizelemente vorgeschlagen, die ohne Lötverbindung bzw. Klebeverbindung auskommt. Die Heizelemente 12 werden direkt auf dem Innenrohr 10 plaziert und durch Federn 17 angepreßt. Die Vorspannung der Federn wird durch Aufsetzen des Deckels 18 in die hierfür vorgesehene Einbauöffnung erzeugt. Über Kontaktzungen 19 können diese Bauteile mit einem elektrischen Stromkreis verbunden werden. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt in einer Vermeidung des Ausschusses bei der Produktion der Heizrohre. Dieser kommt bei Anwendung des Löt- oder Klebeverfahrens dadurch zustande, daß elektrische Brücken zu einem Kurzschluß der Heizelemente führen.
Description
Die Erfindung betrifft eine beheizbare Wand zur Beheizung des durch die Wand
eingeschlossenen Innenraums nach der Gattung des Patentanspruches 1.
Außerdem betrifft die Erfindung Rohrsysteme bzw. Behälter, die für den Einsatz
der oben genannten beheizbaren Wand geeignet sind, gemäß der Gattung der
Ansprüche 8 und 9.
Zur Beheizung von Wänden kommen insbesondere im Kraftfahrzeugbereich
häufig metallische Wandabschnitte zur Anwendung, die leitend mit einem
Kaltleiterelement verbunden sind.
Eine solche Anordnung ist zum Beispiel aus
der DE 195 25 542 bekannt. Das Kaltleiterelement besteht aus einem
keramischen Werkstoff, der die Eigenschaft hat, auf geringe Temperaturen mit
einem sprunghaften Abfall seines elektrischen Widerstandes zu reagieren. Der
Kaltleiter ist über den metallischen Wandabschnitt mit dem Stromkreis des
Fahrzeugs verbunden. Ein Temperaturabfall bewirkt somit durch den
Widerstandsabfall des Kaltleiters einen erhöhten Stromfluß, wodurch sich der
Kaltleiter stark aufheizt. Der metallische Wandabschnitt dient dabei lediglich der
Wärmeleitung bzw. der Wärmeübertragung an das im zugehörigen Behälter
befindliche Fluid. Dadurch kann zum Beispiel ein Einfrieren von
Leitungsabschnitten in Kraftfahrzeugen verhindert werden.
Um die elektrische Versorgung zwischen dem Kaltleiterelement und dem
metallischen Wandabschnitt zu gewährleisten, muß die Verbindung zwischen
diesen beiden Bauteilen elektrisch leitend ausgeführt sein. Diese Verbindung
ist daher entweder als Lötverbindung oder als Klebeverbindung mit einem
elektrisch leitenden Kleber realisiert. In derselben Weise können
Anschlußzungen für einen elektrischen Steckverbinder am Wandabschnitt und
am Kaltleiterelement angelötet oder angeklebt werden.
Für die Herstellung eines elektrischen Kontaktes wäre nur ein kleiner Lötpunkt
oder Klebepunkt erforderlich. Da die Wärme bei tiefen Temperaturen im
Kaltleiterelement erzeugt wird und auf den Wandabschnitt übertragen werden
muß, muß sich die Verbindung jedoch auf die gesamte Kontaktfläche zwischen
Kaltleiterelement und Wandabschnitt erstrecken. Die Herstellung einer solch
großflächigen Verbindung wirft aber Probleme auf. Im Falle des Lötens wird der
keramische Kaltleiter stark erwärmt. Dabei stellt sich im Kaltleiter von der
Kontaktfläche zum Inneren hin ein hoher Temperaturgradient ein. Aufgrund des
spröden Verhaltens des keramischen Materials führt dies häufig zur Zerstörung
des Kaltleiters während des Lötvorganges infolge Sprödbruches. Die Folge ist
ein hoher Ausschuß in der Produktion. Weiterhin besteht die Gefahr, daß der
Lotwerkstoff eine Brücke zwischen dem Wandabschnitt und der Kontaktzunge
bildet. Dadurch kommt es zum Kurzschluß, womit die Funktion des
Kaltleiterelementes nicht mehr gegeben ist. Diese Problematik besteht in
besonderem Maße auch für die Montage des Kaltleiters mittels eines elektrisch
leitfähigen Klebers. Beim Kleben kommt zusätzlich die Problematik der
Aushärtezeit hinzu, die die Wirtschaftlichkeit des Produktionsverfahrens für die
beheizbaren Wände beeinträchtigt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine mit einem Kaltleiterelement
versehene beheizbare Wand zu schaffen, wobei die Bauteile höchsten
Anforderungen an die Funktionszuverlässigkeit genügen sollen und die
Wirtschaftlichkeit der Wand durch einen geringen Ausschuß bei der Produktion
gefördert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Ferner
werden gemäß der Ansprüche 9 und 10 mögliche mit dem beheizbaren
Wandabschnitt ausgestattete Einrichtungen beansprucht.
Die erfindungsgemäße beheizbare Wand besteht aus einem elektrisch
leitenden Material, zum Beispiel Kupfer. Die elektrische Leitfähigkeit ist
zwingende Voraussetzung dafür, daß über die beheizbare Wand der das
Kaltleiterelement beinhaltende Stromkreis geschlossen werden kann.
Vorteilhafterweise sollte die beheizbare Wand auch eine gute thermische
Leitfähigkeit besitzen, um die im Kaltleiterelement produzierte Wärme zur
Innenfläche der Wand weiterzuleiten. Die thermische Leitfähigkeit ist bei
metallischen Werkstoffen für die beheizbare Wand regelmäßig gegeben.
Die elektrische Isolation, insbesondere durch einen Kunststoffmantel,
gewährleistet vorteilhafterweise gleichzeitig eine thermische Isolation der Wand
nach außen, so daß die Wärme in erster Linie nach innen, also zum Ort des zu
beheizenden Fluides hin, abgegeben wird.
Der elektrische Kontakt zwischen der Wand und dem Kaltleiterelement wird
durch Anpressen des Kaltleiterelementes an die Wand erzeugt. Dies geschieht
mittels eines elastischen Elementes, wobei die elastische Deformation dieses
Elementes als Anpreßkraft genutzt wird. Das elastische Element kann aus einer
Feder bestehen, es ist jedoch auch die Nutzung der Eigenelastizität eines
Werkstoffes wie Gummi denkbar.
Ein zusätzliches Verkleben oder Verlöten des Kaltleiterelementes ist nicht
notwendig. Das Kaltleiterelement kann also ohne eine Erwärmung der
Kontaktflächen zwischen Kaltleiterelement und beheizbarer Wand montiert
werden. Ein Ausschuß infolge temperaturbedingten Sprödbruch des
Kaltleiterelementes ist also auszuschließen. Weiterhin wird die
Betriebssicherheit der hergestellten Verbindung wesentlich erhöht. Die
Ausbildung von Leitungsbrücken durch ein Fließen des Lotwerkstoffs, bzw. des
Klebstoffs kann vollständig vermieden werden.
Eine zweckmäßige Ausbildung des Erfindungsgedankens sieht vor, in den
Kunststoffmantel eine Einbauöffnung einzubringen, die durch einen Deckel
verschlossen werden kann. Diese Einbauöffnung gewährleistet eine rationelle
Montage der einzelnen Bauteile. Die Kaltleiterelemente können in vorgefertigte
Aufnahmen eingesetzt und mit den elastischen Elementen versehen werden.
Der Anpressdruck wird dann durch Aufsetzen des Deckels erzeugt.
Wird ein Deckel zum Verschließen der Montageöffnung vorgesehen, so ergibt
sich eine sinnvolle Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß die
Kontaktzungen zum Anschließen der beheizbaren Wand an einen elektrischen
Stromkreis in den Deckel integriert sind. Durch Eingießen der Kontaktzungen
kann die Durchführung der Kontaktzungen durch den elektrisch isolierenden
Deckel vollkommen abgedichtet werden, ohne daß zusätzliche Dichtmittel
benötigt werden. Im übrigen vereinfacht sich die Handhabung in der
Endmontage. Durch Aufsetzen des Deckels wird dann automatisch die leitende
Verbindung zu den Kaltleiterelementen sowie zum beheizbaren Wandabschnitt
hergestellt. Die Leitung des elektrischen Stroms kann auch über die elastischen
Elemente erfolgen, sofern diese selbst elektrisch leitfähig sind. Dies hat den
Vorteil, daß der Anpreßdruck der Federn auch die elektrische Kontaktierung der
Kontaktzungen unterstützt.
Es ist vorteilhaft den Deckelrand mit der Einbauöffnung zu verschweißen. Dies
kann insbesondere durch das Ultraschallschweißverfahren erfolgen.
Schweißen stellt in der Großserienherstellung ein wirtschaftliches
Verbindungsverfahren dar. Im übrigen ergibt sich der Vorteil, daß der
verschweißte Deckel ohne Zuhilfenahme weiterer Dichtungsmittel eine
vollständige Abdichtung des Einbauraums gewährleistet.
Eine zweckmäßige Ausbildung des Erfindungsgedankens sieht als elastisches
Element eine spiralförmige Teleskopfeder vor. Diese hat den Vorteil einer
einfachen Handhabung, da sie sich im Vergleich zu Schraubenfedern bei der
Bevorratung weniger leicht verhäddert. Außerdem ist durch die progressive
Federkennlinie der Teleskopfeder eine geringe Einbauhöhe bezogen auf die
erzeugte Federkraft gegeben. Alternativ zur Teleskopfeder kann auch eine
Tellerfeder zur Verwendung kommen.
Eine weitere Variante der Erfindung weist an der Durchführung der
Kontaktzungen im Deckel eine Aufnahme für einen Steckverbinder auf. Dieser
kann als Teil des Deckels ausgeführt sein und ermöglicht eine einfache
Endmontage der beheizbaren Wand, zum Beispiel im Motorraum eines
Fahrzeuges. Außerdem kann das Teil, welches die beheizbare Wand aufweist,
ohne größere Probleme ausgetauscht werden, wobei die elektrische
Steckverbindung gelöst wird.
Es ist vorteilhaft, den im Einbauraum verbleibenden Hohlraum mit einer
wärmeleitenden Masse auszufüllen. Dies kann insbesondere durch Silikonfett
geschehen. Voraussetzung für die wärmeleitende Masse ist, daß diese den
elektrischen Strom nicht leitet, um einen Kurzschluß zu vermeiden. Die
wärmeleitende Masse beschleunigt den Übergang der im Kaltleiter erzeugten
Wärme auf den beheizbaren Wandabschnitt. Der Einsatz der wärmeleitenden
Masse hat weiterhin den Vorteil, daß im Falle einer Undichtheit des
Einbauraums die elektrische Isolation der leitenden Elemente gewährleistet
bleibt. Anderenfalls könnte eventuell eindringende Feuchtigkeit zu einem
Kurzschluß des Kaltleiterelementes führen. Rohrsysteme bzw. Behälter gemäß
der Ansprüche 8 und 9 sind besonders geeignete Bauteile, um einen
beheizbaren Wandabschnitt in ihnen vorzusehen. Der Einsatz der beheizbaren
Wand ist weiterhin überall dort sinnvoll, wo durch die Wand gebildete
Innenräume einfriergefährdet sind. Ein Einfrieren kann also in allen gas- oder
flüssigkeitsführenden oder -beinhaltenden Systemen verhindert werden.
Dadurch wird die Betriebssicherheit sowie die Funktionszuverlässigkeit des
Gesamtsystems erhöht.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung
gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den
Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder
zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der
Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für
sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz
beansprucht wird.
Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert.
Hierbei zeigt
Fig. 1 eine beheizbare Wand, ausgeführt als Rohrinnenwand im
Mittelschnitt durch das Rohr und
Fig. 2 die Aufsicht auf eine zur Anwendung kommende spiralförmige
Teleskopfeder.
In Fig. 1 ist eine beheizbare Wand 10 dargestellt, die in einem Rohr 11 zum
Einsatz kommt. Die Wand 10 besteht aus einem Innenrohr aus Kupfer, welches
zur Aufnahme von Kaltleiterelementen 12 eine Abflachung 13 aufweist. Die
Wand 10 kann entweder als Teil eines gesamten nicht dargestellten
Rohrsystems ausgebildet sein, oder mit einem Schlauchstutzen 14 zur
Verbindung mit einem nicht dargestellten Schlauch versehen sein. Die Wand ist
mit einem Kunststoffmantel 15 umspritzt, der eine Einbauöffnung für die
Kaltleiterelemente 12 aufweist. Der Kunststoffmantel weist in der Einbauöffnung
weiterhin Einbauhilfen 16 auf, die ein problemloses Einsetzen der
Kaltleiterelemente 12 sowie von Federn 17 gewährleisten. Die Federn 17
stützen sich in einem Deckel 18 ab, der in die Einbauöffnung eingesetzt wird.
Durch den Anpreßdruck der Federn wird eine einwandfreie elektrische
Kontaktierung gewährleistet.
Der Stromkreis wird über Kontaktzungen 19 hergestellt, die über
Verbindungsbleche 20 und die Federn 17 jeweils mit den Kaltleiterelementen
12 bzw. der Wand 10 in Verbindung stehen. Weiterhin besteht ein elektrischer
Kontakt zwischen den Kaltleitern 12 und der Wand 10, wodurch der Stromkreis
geschlossen wird.
Zur elektrischen Isolation sind die Kontaktzungen in den Deckel 18
eingegossen. Der Deckel ist mit der Einbauöffnung ultraschallverschweißt.
Zusätzlich kann in einen Totraum 21, der sich zwischen Deckel 18 und dem
Einbauraum eingebauten Elementen 12, 17, 20 ergibt, eine Wärmeleitpaste
eingepreßt werden.
Der Deckel 18 ist bevorzugt ein Kunststoffspritzteil, in den eine Aufnahme 22
für einen elektrischen Steckverbinder vorgesehen ist. Die Aufnahme kann
Rastmittel 23 zur Fixierung des Steckers aufweisen.
Fig. 2 stellt eine Aufsicht auf die zum Einsatz kommende Feder 17 dar. Diese
ist als (in auf Blocklänge zusammengedrückten Zustand, spiralförmige)
Teleskopfeder ausgeführt. Im Gegensatz zu einer Schraubenfeder ergibt sich
die Blocklänge der Feder 17 durch die Höhe der Windungen, da diese nicht
aufeinander zu liegen kommen, sonder ineinander passen. Die Windung mit
dem geringsten Durchmesser hat die größte Federkonstante, während die
äußerste Windung die geringste Federkonstante hat. Dadurch kommt eine
progressive Federkennlinie der Feder 17 zustande. Die Federn 17 können bei
der Montage ohne großen Aufwand auf den Kaltleiterelementen 12 bzw. auf
der Wand 10 plaziert werden. Die Verspannung der Federn erfolgt
anschließend durch Aufsetzen des Deckels 18.
Claims (9)
1. Beheizbare Wand (10), insbesondere eines Rohres, wobei
- - die Wand (10) aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Kupfer, besteht,
- - die Wand (10) in direktem Kontakt mit mindestens einem Kaltleiterelement (12) steht,
- - die Wand (10) und das Kaltleiterelement (12) durch ein elektrisch isolierendendes Material, insbesondere einen Kunststoffmantel (15), nach außen hin abgeschirmt ist,
- - ein elektrischer Kontakt von der Wand (10) nach außen geführt ist und
- - mindestens ein elektrischer Kontakt (19, 20) von dem Kaltleiterelement oder den Kaltleiterelementen (12) nach außen geführt ist,
2. Wand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese nach außen
mit einem Kunststoffmantel umspritzt ist, der eine Einbauöffnung für die
Kaltleiterelemente (12) und das elastische Element bildet, wobei die
Einbauöffnung durch einen elektrisch isolierenden Deckel (18) verschlossen
ist.
3. Wand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen
Kontakte (19, 20) teilweise in den Deckel (18) eingespritzt sind, so daß auf
beiden Seiten des Deckels elektrische Kontaktflächen freibleiben.
4. Wand nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Deckel (18) mit dem Kunststoffmantel (15), verschweißt ist.
5. Wand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Feder (17) aus einer spiralförmigen Teleskopfeder besteht.
6. Wand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß an der Durchführung der Kontakte (19, 20) eine Aufnahme (22) für einen
Steckverbinder vorgesehen ist.
7. Wand nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein entstehender Hohlraum zwischen Kunststoffmantel (15) und Wand
durch eine wärmeleitende Masse ausgefüllt ist.
8. Rohrsystem, insbesondere zur Leitung von Fluiden in einer
Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in Rohrabschnitten, die
zur Vereisung oder zum Einfrieren neigen, Wände (10) gemäß einem den
vorhergehenden Ansprüche vorgesehen sind.
9. Behälter, insbesondere zur Bevorratung von Fluiden einer
Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in Bereichen, die zur
Vereisung oder zum Einfrieren neigen, Wände (10) gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 7 vorgesehen sind.
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