Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Beheizung des Fahrzeuginnenraums bei Kraftfahrzeugen erfolgt
üblicherweise 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
unzureichend empfunden wird. Auch durch die Entwicklung neuer, ver
brauchsoptimierter Motoren, in denen weniger Wärmeenergie anfällt und
über das Kühlwasser abgeführt wird, steht zur Fahrzeugheizung eine gerin
gere Wärmeenergie zur Verfügung, die bei extrem niedrigen Außentempe
raturen keineswegs zur Fahrzeugheizung ausreicht und die auch bei
normalem Heizungsbedarf erst bei erheblicher zeitlicher Verzögerung zu
behaglichen Innenraumtemperaturen führt. Gleiches gilt für die Beheizung
von Elektro-Fahrzeugen.
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 Fahrzeug
heizungsanlage und der Fahrzeugkabine ist beispielsweise in dem Aufsatz
von Burk, Krauss, Dr. Löhle "Integrales Klimasystem für Elektroauto
mobile", ATZ Automobiltechnische Zeitschrift, 11/1992, beschrieben.
Es wurden bereits verschiedene Zusatzheizsysteme entwickelt. So ist aus
der EP 0 350 528 ein Radiator bekannt, der mehrere parallel angeordnete
Heizelemente umfaßt, die zu einem Block zusammengesetzt und in einem
Rahmen befestigt sind. Zwischen jeweils zwei Blechen sind PTC-Elemente
gehalten und auf der jeweils anderen Seite der Bleche befindet sich eine mit
diesen in wärmeleitender Verbindung stehende Wellrippe. Der Block ist
gehalten in einem Halterahmen, der aus parallel zu den Heizelementen
angeordneten äußeren Schienen besteht, die endseitig in Holme eingesteckt
sind. Die einzelnen äußeren Schienen und Holme sind zur Bildung des
Halterahmens miteinander verbunden. Zur Herstellung eines Wärme
kontakts zwischen den Heizelementen und den Wellrippen ist zwischen dem
Block und den äußeren Schienen ein längliches, gewelltes Federband
angeordnet, das sich an der Schiene abstützt und gegen den Block drückt.
Die Kraft mit der die Bleche an die PTC-Elemente und die Heizelemente an
ihre benachbarten Wellrippen gepresst werden, ist eine kritische Größe für
die Heizleistung.
Nachteilig an dieser bekannten Heizeinrichtung ist, daß die äußeren Schie
nen speziell zur Aufnahme des Federbandes ausgebildet sein müssen. Es
werden immer zwei Federbänder eingesetzt, die sich an den Schienen
abstützen. Dadurch werden die außenliegenden Heizelemente und Well
rippen stärker verspannt als die innenliegenden. Im ungünstigen Fall kann
der Kontakt zwischen Wellrippen und Heizelementen und/oder Blechen und
PTC-Elementen ungenügend sein, so daß die Leistung der Heizeinrichtung
reduziert ist. Dies gilt insbesondere für die in der Mitte angeordneten
Heizelemente und Wellrippen.
Aus der DE 44 34 613 ist eine Heizeinrichtung bekannt, deren Rahmen aus
Kunststoff besteht. Der Rahmen ist in zwei Hälften geteilt, an denen Keile
angeformt sind. Beim Zusammenfügen können sich die Keile verbiegen und
so den Block verspannen. Nachteilig daran ist, daß ein Rahmen aus Kunst
stoff nur eine geringe Lebensdauer hat, da der Kunststoff insbesondere auf
grund der hohen Temperaturen altert und im Laufe der Zeit seine Stabilität
verliert. Die auf den Block übertragbaren Spannkräfte sind nur sehr gering.
Aus der DE 197 06 199 ist eine weitere Heizeinrichtung bekannt, bei der das
Problem der Verspannung des Heizblocks dadurch gelöst wird, daß ein
Rahmen aus thermoplastischem Kunststoff eingesetzt wird, dessen gegen
überliegenden Längsschenkel nach innen gebogen sind, so daß zwischen
diesen der Heizblock eingespannt gehalten werden kann. Ein derartiger
Rahmen erlaubt nur geringe Toleranzen in den Heizblockabmessungen und
muß genau an den Heizblock angepasst sein. Der Einbau des Heizblocks in
den Rahmen ist sehr aufwendig, da die Längsschenkel des Rahmens aus
einandergebogen gehalten werden müssen, um den Heizblock dazwischen
einsetzen zu können.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung,
eine verbesserte, elektrische Heizeinrichtung bereitzustellen, die einfach
aufgebaut und kostengünstiger ist, wobei eine gute und gleichmäßige Ver
spannung der PTC-Elemente enthaltenden Heizelemente gewährleistet sein
muß, damit gute elektrische und wärmeleitende Kontakte zwischen den ein
zelnen Komponenten vorhanden sind. Die Heizeinrichtung sollte so gestaltet
sein, daß die Kraft, mit der der Heizblock verspannt wird, auch die innen
liegenden Heizelemente erreicht, damit eine verbesserte Wärmeabfuhr von
den innenliegenden PTC-Elementen gewährleistet ist und eine höhere
Heizleistung erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine gattungsgemäße
Heizeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Wenn erfindungsgemäß das Federelement integraler Bestandteil des Heiz
blocks und zwischen zwei Heizelementen angeordnet ist, brauchen die
Rahmenschenkel keine spezielle Haltevorrichtungen für ein Federelement
aufweisen. Da die Spannkraft, mit denen die Heizelemente selbst und mit
denen sie gegen die Wellrippen gepresst werden, mit der Entfernung von
dem Federelement aufgrund von Reibungskräften abnimmt, kann in der
erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit nur einem Federelement, das vor
zugsweise etwa in der Mitte des Heizblocks angeordnet ist, so daß etwa
gleich viele Heizelemente beidseits des Federelements angeordnet sind, der
Heizblock genauso effektiv verspannt werden, wie dies mit zwei, jeweils an
einem Rahmenschenkel abgestützten, Federelementen möglich ist.
Wenn der Heizblock sehr groß ist, also eine Vielzahl von Heizelementen
und Wellrippen aufweist, können mehrere Federelemente in den Heizblock
eingebaut sein, die den Heizblock dann bevorzugt in etwa gleich große
Untereinheiten unterteilen. Durch die Anordnung mehrerer Federelemente
werden die einzelnen Heizelemente mit ihren benachbarten Wellrippen
erheblich besser verspannt, so daß die erfindungsgemäße Heizeinrichtung
eine größere Heizleistung aufweist.
Durch die Erfindung können Material und Herstellkosten eingespart werden.
Außerdem ist die Montage derartiger Heizeinrichtungen problemlos und
gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht, denn in der erfindungs
gemäßen Ausgestaltung kann das Federelement in einfachster Weise eine
Wellrippe ersetzen. Es bedarf daher zur Einführung der erfindungsgemäßen
Ausbildung keiner Umkonstruktion bisher bekannter Heizeinrichtungen und
deren Herstellverfahren.
In einer konstruktiv einfachen Ausgestaltung des Federelements ist dies als
gewelltes Federband ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Federelement als
ein verformter Blechstreifen ausgebildet, der abwechselnd erste und zweite
laschenartige Federabschnitte aufweist, deren Endbereiche jeweils in ent
gegengesetzten Richtungen aus der Ebene des Blechstreifens heraus
gebogen sind und Fußabschnitte aufweist, wobei sich die Fußabschnitte
gegen das eine Heizelement und die Endbereiche der ersten und zweiten
Federabschnitte gegen das andere Heizelement abstützen. Ein derart
ausgebildetes Federelement hat gegenüber einem gewellten Federband den
Vorteil, daß der Luftwiderstand erhöht ist. Bei einem gewellten Federband
als Federelement könnte die Luft fast ungehindert im Bereich des
Federbandes durch die Heizeinrichtung strömen, wodurch die Luft an dieser
Stelle nur mangelhaft aufgeheizt würde. Dies wird durch die genannte
Ausbildung des Federelementes mit Fuß- und Federabschnitten verhindert.
Mit einem derartigen Federelement wird eine verbesserte Verspannung über
die volle Länge der Heizelemente und eine verbesserte Pressung der
Heizelemente an die Wellrippen. Dadurch ergibt sich eine verbesserte
Leistungsabgabe der Heizeinrichtung.
Wenn das Federelement Durchbrechungen aufweist, kann der luftseitige
Druckabfall im Bereich des Federelements dem Druckabfall im Bereich des
restlichen Heizblocks angepasst werden durch Größe und Anzahl der
Durchbrechungen. Dabei können die Durchbrechungen als einfache Löcher
oder als kiemenartige Durchbrechungen ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung wird in erster Linie in Heizungs- oder
Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs eingesetzt.
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 erfindungsgemäßen Heizeinrichtung
von der Luftanströmseite gesehen;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Federelements der
erfindungsgemäßen Heizeinrichtung;
Eine in Fig. 1 dargestellte Heizeinrichtung 10 weist mehrere in einem
Rahmen 12 aufgenommene Heizelemente 14 und zwischen den Heiz
elementen angeordnete Wellrippen 16, die zusammen einen Heizblock 18
bilden, auf. Die Wellrippen 16 sind bevorzugt als Kiemenwellrippe zur Erhö
hung der Wärmeübertragungsleistung ausgebildet, wobei eine Wellrippen
höhe von 8 bis 16 mm und eine Wellrippentiefe, also Tiefe des Heizblocks
18, von 8 bis 14 mm bevorzugt ist.
Ein jeweiliges Heizelement 14 ist aufgebaut, wie es in der DE 197 32 010
beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt hiermit ausdrücklich in diese
Beschreibung mit aufgenommen ist. Das Heizelement 14 besteht dabei aus
zwei parallel verlaufenden Blechen, zwischen denen sich mehrere PTC-
Elemente befinden. Die PTC-Elemente sind gegen Verrutschen durch ein
Dichtprofil sicher gehalten und gegen Feuchtigkeit geschützt. Das Dichtprofil
ist aus einem extrudierten Endlosprofil, bevorzugt aus Silikon bestehend,
hergestellt, das auf die dem Heizelement 14 entsprechende Länge zuge
schnitten ist und in das Durchbrechungen eingestanzt sind, in denen die
PTC-Elemente positioniert und auf Abstand gehalten sind. Das Dichtprofil
weist an seinen Längsrändern Rastlippen auf, die die Längsränder der
Bleche umgreifen, so daß das Heizelement 14 im zusammengesetzten
Zustand durch die über die Rastlippen gehaltene Bleche zusammengehalten
ist.
Der Rahmen 12 besteht aus parallel zu den Heizelementen 14 angeord
neten Längsschenkeln 30 und 32 sowie senkrecht dazu angeordneten
Querschenkeln 34 und 36. Die Querschenkel 34 und 36 bestehen jeweils
aus zwei Querschenkelhälften 38' und 40' bzw. 38" und 40". An ihren Enden
weisen die Querschenkelhälften 38 und 40 jeweils eine Anlagefläche auf,
wobei gegenüberliegende Anlageflächen jeweils einen Winkel einschließen,
der zum Heizblock 18 hin geöffnet ist. Zwischen diesen Anlageflächen sind
die Längsschenkel 30 und 32 gehalten, die wenigstens an ihren mit den
Querschenkeln 34 und 36 verbundenen Enden im Querschnitt wenigsten
einen keilartigen Bereich aufweisen, wobei der Winkel des Keils dem vorge
nannten Winkel der gegenüberliegenden Anlageflächen der Querschenkel
30 und 32 entspricht. Bevorzugt sind die Längsschenkel als Profil ausge
bildet mit trapez- oder dreieckförmigem Querschnitt. Längsschenkel 30 und
32 und Querschenkel 34 und 36 sind über Verbindungsmittel, wie
Schrauben, Nieten o. dgl., die durch vorbereitete Öffnungen 42, 44, 46, 48
hindurchsteckbar sind, an ihren Enden zur Bildung des geschlossenen
Rahmens 12 miteinander verbunden. Die Rahmenschenkel bestehen bevor
zugt aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium und sind als Strangpreßprofile
ausgebildet.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt zwölf
Heizelemente 14 dargestellt. Zwischen den beiden mittleren Heizelementen
14' und 14" ist erfindungsgemäß anstelle einer Wellrippe 16 ein Feder
element 50 angeordnet, dessen Abmessungen in etwa denen einer WeIl
rippe 16 entspricht. Das Federelement 50 ist damit in den Heizblock 18 inte
griert. Das Federelement 50 übt auf die in Fig. 1 links von dem Federelement
50 angeordneten Heizelemente 14 eine Kraft in Richtung auf den Längs
schenkel 30 aus und in entsprechender Weise auf die anderen Heiz
elemente 14 eine Kraft in Richtung auf den Längsschenkel 32. Dadurch
werden in den einzelnen Heizelementen 14 die Bleche an die PTC-Elemente
und die Heizelemente 14 an die Wellrippen 16 gepresst zur Herstellung von
elektrischen und thermischen Kontakten.
Das Federelement 50 ist in einer ersten in Fig. 1 dargestellten Ausführungs
form der Erfindung als gewelltes Federband 52 ausgebildet. Bevorzugt ist
das Federelement 50 aber als Blechstreifen 54 mit verformten Feder
abschnitten ausgebildet, wie in Fig. 2 dargestellt. Der Blechstreifen 54 weist
an seiner einen Längsseite erste und zweite laschenartige Federabschnitte
56 und 58 und an seiner anderen Längsseite abwechselnd in entgegen
gesetzte Richtungen um ca. 90° abgewinkelte erste und zweite Fuß
abschnitte 60 und 62 auf. Die Federabschnitte 56 und 58 weisen End
bereiche 64 und 66 auf, die jeweils in entgegengesetzten Richtungen aus
der Ebene des Blechstreifens 54 herausgebogen sind.
Im in die Heizeinrichtung 50 eingebauten Zustand des zum Federelement 50
verformten Blechstreifens 54 stützen sich die Fußabschnitte 60 und 62 an
dem einen benachbarten Heizelement ab und die Endbereiche 64 und 66
der Federabschnitte 56 und 58 an dem anderen benachbarten Heizelement
ab, so daß durch die Federkraft des verformten Blechstreifens 54 der Heiz
block 18 verspannt wird.
In einer Ausführungsform kann das Federelement 50 Durchbrechungen
aufweisen, die als einfache Löcher oder kiemenartig ausgebildet sein
können. Die Anzahl, Verteilung und Größe der Durchbrechungen bzw.
Löcher kann so gewählt werden, daß der luftseitige Druckabfall im Bereich
des Federelementes 50 dem luftseitigen Druckabfall in Bereichen, wo die
Wellrippen 16 angeordnet sind, angepasst ist.
Über die Bleche, zwischen denen die PTC-Elemente angeordnet sind, ist
den PTC-Elementen Strom zuführbar, wie dies in der Zeichnung zwar nicht
dargestellt aber in der DE 197 32 010 ausführlich im Prinzip beschrieben ist,
auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. In der Fig. 2 sind ledig
lich die Enden 70 der stromzuführenden Bleche zu sehen, die von den
Querschenkeln 34 und 36 aufgenommen sind.