DE19846282B4 - Elektrische Heizeinrichtung - Google Patents

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Abstract

Elektrische Heizeinrichtung bestehend aus
– einem elektrisch leitenden, mit einem Kunststoffmantel (15) isolierten Rohr (10),
– eine in dem Kunststoffmantel (15) angebrachte Einbauöffnung, in der das Rohr (10) eine Abflachung (13) aufweist und die mit einem elektrisch isolierenden Deckel (18) verschlossen ist,
– einem in der Einbauöffnung angeordneten, direkt mit dem Rohr (10) elektrisch kontaktierten PTC-Heizelement (12),
– einer das Rohr (10) kontaktierenden Kontaktfeder (17) und
– einer weiteren den zweiten Anschluss des PTC-Heizelementes (12) kontaktierenden Kontaktfeder (17),
– wobei sich diese Kontaktfedern (17) über Verbindungsbleche (20) am Deckel (18) abstützen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung 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 Heizeinrichtung geeignet sind, gemäß den Ansprüchen 7 und 8.
  • 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.
  • Aus der US 5,262,619 A ist eine beheizbare Wand bekannt. Diese Wand besteht aus einem elektrisch leitenden Material und steht in direktem Kontakt mit mindestens einem Kaltleiterelement. Ein elektrischer Kontakt wird von der Wand nach außen geführt und sorgt für eine elektrische Verbindung zu dem Kaltleiterelement.
  • Es ist ferner aus der EP 01 945 07 A1 ein Heizelement zum Erwärmen von strömenden insbesondere gasförmigen Medien bekannt. Dieses Heizelement besteht aus einem Wärmetauscher, aus einem gut wärmeleitenden Metall, der mit Durchlassöffnungen versehen ist, deren lichte Weite von der Einlassseite ausgehend abnehmen und an der Auslassseite höchstens der lichten Weite der Einlassseite entsprechen. Dieses Element stellt für strömende Medien eine Störstelle dar.
  • Aus der DE 78 25 072 ist eine Vorrichtung zur Beheizung eines Saugrohres einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei sich ein PTC-Element in einer Kammer befindet und die Wärme des PTC-Elements von der Kammer ausgehend bis in das Innere des Rohres übertragen werden muss. Dieser Aufbau ist für eine rasche Wärmeübertragung und damit Beheizung des durch das Rohr strömende Fluid nicht geeignet.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Heizeinrichtung zu schaffen, die zuverlässig und störungsfrei eine Beheizung des durch ein Rohr strömende Fluid wirkt, wobei eine gute thermische Leitfähigkeit gewährleistet sein muss.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Ferner werden gemäß der Ansprüche 7 und 8 mit der Heizeinrichtung ausgestattete Einrichtungen beansprucht.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung besteht aus einem elektrisch leitenden Material, zum Beispiel Kupfer. Die elektrische Leitfähigkeit ist zwingende Voraussetzung dafür, dass über die Heizeinrichtung der das Kaltleiterelement beinhaltende Stromkreis geschlossen werden kann. Vorteilhafterweise sollte die Heizeinrichtung auch eine gute thermische Leitfähigkeit besitzen, um die im Kaltleiterelement produzierte Wärme zur Innenfläche einer Wand weiterzuleiten. Die thermische Leitfähigkeit ist bei metallischen Werkstoffen für die beheizbare Wand regelmäßig gegeben.
  • Die elektrische Isolation durch einen Kunststoffmantel, gewährleistet 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 Funktionsszuverlässigkeit 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.
    •
  • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine beheizbare Wand, ausgeführt als Rohrinnenwand im Mittelschnitt durch das Rohr und
  • 2 die Aufsicht auf eine zur Anwendung kommende spiralförmige Teleskopfeder.
  • In 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.
  • 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 (8)

  1. Elektrische Heizeinrichtung bestehend aus – einem elektrisch leitenden, mit einem Kunststoffmantel (15) isolierten Rohr (10), – eine in dem Kunststoffmantel (15) angebrachte Einbauöffnung, in der das Rohr (10) eine Abflachung (13) aufweist und die mit einem elektrisch isolierenden Deckel (18) verschlossen ist, – einem in der Einbauöffnung angeordneten, direkt mit dem Rohr (10) elektrisch kontaktierten PTC-Heizelement (12), – einer das Rohr (10) kontaktierenden Kontaktfeder (17) und – einer weiteren den zweiten Anschluss des PTC-Heizelementes (12) kontaktierenden Kontaktfeder (17), – wobei sich diese Kontaktfedern (17) über Verbindungsbleche (20) am Deckel (18) abstützen.
  2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontakte (19)und Verbindungsbleche (20) teilweise in den Deckel (18) eingespritzt sind, so dass auf beiden Seiten des Deckels elektrische Kontaktflächen frei bleiben.
  3. Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (18) mit dem Kunststoffmantel (15), verschweißt ist.
  4. Heizeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (17) aus einer spiralförmigen Teleskopfeder besteht.
  5. Heizeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Durchführung der Kontakte (19) eine Aufnahme (22) für einen Steckverbinder vorgesehen ist.
  6. Heizeinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein entstehender Hohlraum zwischen Kunststoffmantel (15) und Wand durch eine wärmeleitende Masse ausgefüllt ist.
  7. Rohrsystem, insbesondere zur Leitung von Fluiden in einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass in Rohrabschnitten, die zur Vereisung oder zum Einfrieren neigen, Rohrwände (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen sind.
  8. Behälter, insbesondere zur Bevorratung von Fluiden einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass in Bereichen, die zur Vereisung oder zum Einfrieren neigen, Rohrwände (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 vorgesehen sind.
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