DE19957452A1 - Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents
Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für ein KraftfahrzeugInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizeinrichtung mit mehreren Heizelementen (2), die zu einem Heizblock (1) zusammengesetzt sind, der in einem Rahmen (4a bis 4d) gehalten und von einem zu erwärmenden Medium durchströmbar ist, sowie mit einer Steuervorrichtung mit mehreren zu kühlenden, neben oder innerhalb des Heizblocks in einer Reihe angeordneten Steuerkomponenten (6a bis 6d) zur Ansteuerung der Heizelemente. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist den zu kühlenden Steuerkomponenten eine gemeinsame, sich entlang der Steuerkomponentenreihe erstreckende Kühlwellrippe (15) in wärmeleitender Verbindung zugeordnet und/oder sie sind mit einem heizstromführenden Anschluß elektrisch an einen Verbindungsleiterstreifen (12) angeschlossen, der mit einer sich senkrecht dazu längs eines Blockseitenbereiches erstreckenden Kontaktleiste (12) verbunden ist, an welche die Heizelemente gemeinsam angeschlossen sind. DOLLAR A Verwendung z. B. als Zusatzheizung bei Kraftfahrzeugen zur Erwärmung eines in einen Fahrzeuginnenraum eingeleiteten Luftstroms.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizeinrich
tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Heizein
richtungen mit mehreren, zu einem Heizblock zusammengesetzten
Heizelementen werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen zur
Aufheizung von in einen Fahrzeuginnenraum eingeleiteter Luft
verwendet.
In der Offenlegungsschrift DE 197 38 318 A1 und der nicht
vorveröffentlichten, älteren deutschen Patentanmeldung Nr.
199 25 757 sind Heizeinrichtungen dieser Art beschrieben, die
als Zusatzheizung in einem Kraftfahrzeug verwendet werden
können, um bei einem Kaltstart eine schnelle Aufheizung des
Fahrzeuginnenraumes zu erzielen. Die dort offenbarten Heiz
einrichtungen weisen mehrere, zu einem Heizblock zusammenge
setzte, streifenförmige PTC-Heizelemente auf, die im Abstand
voneinander angeordnet sind, wobei dazwischen wärmeleitende
Wellrippen eingebracht sind. Die zu erwärmende Luft durch
strömt den Heizblock in den von den Wellrippen bereitgestell
ten Zwischenräumen. Der Heizblock ist in einem Rahmen gehal
ten, an dem auch eine Steuervorrichtung mit mehreren Steuer
komponenten in Form von Leistungstransistoren angebracht ist,
die jeweils ein zugeordnetes PTC-Heizelement oder eine zuge
ordnete Gruppe von PTC-Heizelementen steuern. Die Leistungs
transistoren sind bei den dortigen Heizeinrichtungen auf der
dem Heizblock gegenüberliegenden Seite eines Rahmenschenkels
festgelegt oder innerhalb des Rahmens dadurch angeordnet, daß
sie an zugeordneten Teilen des Heizblockes oder an einer Rah
meninnenseite festgelegt sind. Sie werden vom zu erwärmenden
Luftstrom gekühlt, wobei individuell den einzelnen Leistungs
transistoren geeignete Kühlkörper zugeordnet sein können.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel
lung einer Heizeinrichtung der eingangs genannten Art zugrun
de, die eine vorteilhafte Anordnung der zur Ansteuerung der
Heizelemente dienenden, zu kühlenden Steuerkomponenten derart
umfaßt, daß diese Steuerkomponenten sehr wirksam gekühlt wer
den können und/oder sich für eine vorteilhafte Art der Heiz
elementansteuerung eignen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung
einer Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder
5.
Bei der elektrischen Heizeinrichtung nach Anspruch 1 befinden
sich die zu kühlenden Steuerkomponenten neben oder innerhalb
des Heizblocks und können charakteristischerweise durch eine
gemeinsame, zugeordnete Kühlwellrippe gekühlt werden, mit der
sie wärmeleitend verbunden sind. Die Kühlwellrippe ist in der
Lage, effektiv Wärme von den sich im Betrieb aufheizenden
Steuerkomponenten abzuführen, wozu sie beispielsweise von ei
nem Teil des durch die Heizeinrichtung zu erwärmenden Strö
mungsmediums, wie Luft, angeströmt werden kann. Die Steuer
komponenten lassen sich auf diese Weise wirksam kühlen, ohne
daß es dazu zwingend erforderlich ist, daß sie selbst von ei
nem zu kühlenden Medium angeströmt werden und/oder jeder von
ihnen ein eigener Kühlkörper zugeordnet wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erstreckt
sich gemäß Anspruch 2 die Reihe nebeneinander liegender, zu
kühlender Steuerkomponenten entlang eines Seitenbereiches des
Heizblocks. Der Heizblock selbst und somit die von diesem be
reitgestellte Kanalstruktur für das durchströmende, zu erwär
mende Medium bleibt dadurch unbeeinflußt von der Anordnung
der zu kühlenden Steuerkomponenten.
In einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist die
Kühlwellrippe innerhalb des Heizblockrahmens angeordnet und
vom Heizblock durch einen zwischengefügten Wärmeisolations
streifen thermisch entkoppelt. Wenn der Heizblock aus PTC-
Heizstreifen und zwischengefügten Wellrippen besteht, können
sich an diesen Heizblockaufbau der Wärmeisolationsstreifen
und die Kühlwellrippe direkt anschließen, mit entsprechenden
fertigungstechnischen und gestalterischen Vorteilen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind nach Anspruch 4
in fertigungstechnisch günstiger Weise die zu kühlenden Steu
erkomponenten in Ausnehmungen einer an der Rahmeninnenseite
angeordneten Fixierleiste untergebracht.
Bei der elektrischen Heizeinrichtung nach Anspruch 5 sind die
zu kühlenden Steuerkomponenten charakteristischerweise mit
einem heizstromführenden Anschluß elektrisch gemeinsam an ei
nen Verbindungsleiterstreifen angeschlossen, der seinerseits
elektrisch mit einer längs eines benachbarten Blockseitenbe
reiches verlaufenden Kontaktleiste verbunden ist, an welche
die Heizelemente gemeinsam angeschlossen sind. In dieser Kon
figuration werden somit alle Heizelemente in gleicher Weise
bestromt, wobei sich der Gesamtheizstrom als Summe der ein
zelnen, steuerbaren Heizstromflüsse über die elektrisch pa
rallel an den Verbindungsleiterstreifen angeschlossenen Steu
erkomponenten ergibt.
Die Maßnahme der gemeinsamen Anbindung der Steuerkomponenten
an den Verbindungsleiterstreifen ist vorzugsweise mit der
Maßnahme kombiniert, den Steuerkomponenten eine Kühlwellrippe
entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 4 zuzuordnen. In einer
diesbezüglichen weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht
nach Anspruch 6 der Verbindungsleiterstreifen aus einem wär
meleitenden Material, und die Anordnung der Steuerkomponen
ten, des Verbindungsleiterstreifens und der Kühlwellrippe ist
so gewählt, daß die zu kühlenden Steuerkomponenten über den
Verbindungsleiterstreifen wärmeleitend mit der Kühlwellrippe
verbunden sind. Dabei kann der Verbindungsleiterstreifen ins
besondere als seitliches Abschlußelement des Heizblockaufbaus
an der entsprechenden Seite der Kühlwellrippe angeordnet
sein.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine elektrische Heizeinrich
tung mit einem Heizblock mit mehreren PTC-Heizele
menten und zwischenliegenden Wellrippen und
Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II von Fig.
1.
Die in den Figuren gezeigte elektrische Heizeinrichtung kann
insbesondere in einem Kraftfahrzeug als Zusatzheizung einge
setzt werden, um die in den Fahrzeuginnenraum zu führende
Luft aufzuheizen, solange die vom Heiz- und Kühlkreislauf ei
nes üblicherweise im Kraftfahrzeug als Antrieb verwendeten
Verbrennungsmotors abgegebene Wärme hierzu noch nicht aus
reicht. Die Heizeinrichtung weist einen Heizblock 1 auf, der
aus mehreren, im Abstand übereinandergestapelten elektrischen
Heizelementen in Form von streifenförmigen PTC-Heizelementen
2 und zwischen diese eingebrachten Wellrippen 3 zusammenge
setzt ist. Der rechteckförmige Heizblock 1 ist in einem umge
benden Rechteckrahmen mit vier Rahmenteilen 4a, 4b, 4c, 4d
gehalten, von denen drei durch im Querschnitt U-förmige, mit
ihrer offenen Seite nach außen weisende Rahmenschenkel 4a,
4b, 4c und das vierte durch einen geschlossenen Rahmenbügel
4d realisiert sind. Ungefähr auf halber Höhe des Heizblock
stapels sind zwei benachbarte PTC-Heizstreifen 2 statt durch
eine Wellrippe durch einen Federstreifen 5 mit einer Mehrzahl
von entgegengesetzt auseinandergespreizten Federzungen von
einander beabstandet. Der Federstreifen 5 dient somit der Er
zielung eines elastisch Fertigungstoleranzen ausgleichenden,
spielfreien Heizblockaufbaus. Er ist ebenso wie die Wellrip
pen 3 elektrisch leitend ausgelegt.
Den PTC-Heizstreifen 2 ist eine aus einer Ansteuerlogik und
einer Leistungselektronik bestehende Steuervorrichtung zuge
ordnet. Die Leistungselektronik umfaßt mehrere, im gezeigten
Beispiel vier Leistungstransistoren 6a, 6b, 6c, 6d als zu
kühlende Steuerkomponenten, die in je einer zugehörigen Aus
nehmung 7a, 7b, 7c, 7d einer Fixierleiste 8 aus Kunststoff
untergebracht sind. Die Fixierleiste 8 ist an der Innenseite
des in Fig. 1 oberen Rahmenschenkels 4c angebracht. Die An
steuerelektronik befindet sich auf einer in Fig. 2 schema
tisch zu erkennenden Steuerplatine 9. Die Steuerplatine 9
weist Kontaktlöcher auf, in welche die Leistungstransistoren
6a bis 6d mit an ihnen vorgesehenen Kontaktstiften 10, von
denen in der Schnittansicht der Fig. 2 einer zu erkennen ist,
eingesteckt und dadurch mit der Ansteuerelektronik kontak
tiert sind. Durch die Steckverbindung zwischen den Lei
stungstransistoren 6a bis 6d und der Platine 9 und das Fest
legen der Leistungstransistoren 6a bis 6d in den Ausnehmungen
7a bis 7d der Fixierleiste 8 ist gleichzeitig die Platine 9
im entsprechenden rückwärtigen Seitenbereich am Heizblock 1
bzw. dessen Rahmen 4a bis 4d gehalten.
Die Leistungstransistoren 6a bis 6d sitzen derart auf einem
gemeinsamen, entlang der Innenseite des Fixierstreifens 8
verlaufenden Verbindungsleiterstreifens 11, der vorzugsweise
aus Kupfer besteht, daß jeder von ihnen mit einem heizstrom
führenden Anschluß elektrisch an den gemeinsamen Verbindungs
leiterstreifen 11 angeschlossen ist. Der Verbindungsleiter
streifen 11 ist an einer Stirnseite über die Heizblockabmes
sungen hinaus verlängert und erstreckt sich mit einem ent
sprechenden Fortsatz durch den Rahmenbügel 4d hindurch. Über
den Fortsatz ist er endseitig elektrisch leitend mit einer
Kontaktleiste 12 verbunden. Die Kontaktleiste 12 erstreckt
sich parallel zur Ebene des Rahmenbügels 4d längs der ent
sprechenden Seite des Heizblocks 1 mit etwas Abstand zu dem
selben und dient zum gemeinsamen Anschluß der PTC-Heizstrei
fen 2 an ein erstes Heizspannungspotential, z. B. ein negati
ves Spannungspotential. Auf der gegenüberliegenden Seite sind
die PTC-Heizstreifen 2 elektrisch an den dortigen U-förmigen
Rahmenschenkel 4b angeschlossen und über diesen mit einem vom
ersten verschiedenen, zweiten Heizspannungspotential, z. B.
einem positiven Spannungspotential, beaufschlagbar. Das zwei
te Spannungspotential kann direkt an diesen U-förmigen Rah
menschenkel 4b oder an einen der beiden anderen Rahmenschen
kel 4a, 4c angelegt werden, die mit diesem Rahmenschenkel 4b
mechanisch in elektrisch leitender Weise verbunden sind.
Wie aus Fig. 1 zu erkennen, sind die PTC-Heizelemente 2 elek
trisch parallel zwischen die Kontaktleiste 12 und den gegen
überliegenden U-Rahmenschenkel 4b geschaltet. Dazu beinhaltet
jedes PTC-Heizelement 2 in an sich bekannter Weise zwei
Blechstreifen 12a, 12b, die durch Isolationsmaterial 13 auf
Abstand gehalten sind, wobei in Ausnehmungen des Isolations
materials die heizaktiven PTC-Elemente zwischen den beiden
Blechen 12a, 12b angeordnet sind. Die beiden Bleche 12a, 12b
haben jeweils elektrischen Kontakt zur angrenzenden, elek
trisch leitfähigen Wellrippe 3. Daher genügt es zur Span
nungsversorgung des oder der einzelnen PTC-Elemente eines
PTC-Heizstreifens 2, jeweils nur eines der beiden Bleche 12a,
12b des PTC-Heizstreifen 2 mit der Kontaktleiste 12 oder dem
gegenüberliegenden Rahmenschenkel 4b zu kontaktieren, und
zwar so, daß in Blockstapelrichtung aufeinanderfolgende PTC-
Heizstreifen 2 mit je einem Blech abwechselnd an den Rahmen
schenkel 4b und die Kontaktleiste 12 angeschlossen sind. Da
durch wird stets eines der beiden Bleche 12a, 12b eines PTC-
Heizstreifens 2 durch direkte Kontaktierung mit dem Potential
der Kontaktleiste 12 bzw. des gegenüberliegenden Rahmenschen
kels 4b beaufschlagt, während die Kontaktierung des anderen
Bleches über die angrenzende Wellrippe und das auf der ande
ren Seite dieser Wellrippe angrenzende Blech des entsprechen
den benachbarten PTC-Heizstreifens erfolgt, das seinerseits
direkt an den Rahmenschenkel 4b bzw. die Kontaktleiste 12 an
geschlossen ist.
Durch geeignete Ansteuerung der Leistungstransistoren 6a bis
6d über die zugehörige Ansteuerlogik ist der zur Erzielung
einer jeweils gewünschten Heizleistung benötigte Heizstrom
einstellbar. Jeder der Leistungstransistoren 6a bis 6d läßt
hierbei einen steuerbaren Heizstromanteil von einem zugehöri
gen Anschluß einer Heizstromquelle zum Verbindungsleiter
streifen 11 und damit zur Kontaktleiste 12 durch, die den
über die vier parallel geschalteten Leistungstransistoren 6a
bis 6d insgesamt zugeführten Heizstrom gleichmäßig auf die
verschiedenen PTC-Heizstreifen 2 aufteilt.
Zur Kühlung der sich im Betrieb aufheizenden Leistungstransi
storen 6a bis 6d ist eine gemeinsame Kühlwellrippe 15 vorge
sehen, die an der Innenseite des Verbindungsleiterstreifens
11, der aus wärmeleitendem Material besteht, angeordnet ist,
so daß die in den Leistungstransistoren 6a bis 6d erzeugte
Wärme über den Verbindungsleiterstreifen 11 und die Kühlwell
rippe 15 abgeführt werden kann. Die Kühlwellrippe 15 ist vom
eigentlichen Heizblock 1 durch einen Wärmeisolationsstreifen
16 getrennt, der als ein "Dummy" realisiert ist, indem er in
Form und Aufbau den PTC-Heizstreifen 2 mit der Ausnahme ent
spricht, daß er nicht die heizaktiven PTC-Elemente enthält.
Diese Realisierung hat den Vorteil, daß sich der Wärmeisola
tionsstreifen 16 und die Kühlwellrippe 15 in einheitlicher
Gestaltung an den Heizblock 1 mit den aufeinanderfolgenden
PTC-Heizstreifen 2 und Wellrippen 3 anschließen und das dem
Wärmeisolationsstreifen 16 zugewandte Blech des benachbarten,
äußeren PTC-Heizstreifens 2 über die zwischenliegende Well
rippe 3 und das an diese angrenzende Blech des Wärmeisolati
onsstreifens 16 kontaktiert werden kann, ohne daß sich ande
rerseits der Wärmeisolationsstreifen 16 selbst aktiv auf
heizt. Optional kann hierbei das an die Kühlwellrippe 15 an
grenzende zweite Blech des "Dummy"-Streifens 16 entfallen.
Die Kühlwellrippe 15 braucht somit nur die von den Lei
stungstransistoren 6a bis 6d abgegebene Wärme an den durch
sie und die übrigen Wellrippen 3 des Heizblocks 1 hindurchge
führten, zu erwärmenden Luftstrom abzugeben. Alternativ kann
der Isolationsstreifen 16 ebenfalls als aktiver PTC-Heiz
streifen ausgelegt sein, wobei dann die Kühlwellrippe 15 zu
sätzlich Wärme von diesem PTC-Heizstreifen aufzunehmen und an
den hindurchgeführten Luftstrom abzugeben hat.
In einer weiteren, zum gezeigten Ausführungsbeispiel alterna
tiven Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, die
Leistungstransistoren 6a bis 6d nicht über den gleichzeitig
als gemeinsame elektrische Verbindung fungierenden Verbin
dungsleiterstreifen 11, sondern direkt oder über ein oder
mehrere, eigens hierfür vorgesehene, wärmeleitende Elemente
an die Kühlwellrippe 15 wärmeleitend anzukoppeln. Des weite
ren kann in einer alternativen Realisierung der Erfindung die
Kontaktleiste 12 entfallen und stattdessen eine anderweitige
elektrische Anbindung der PTC-Heizstreifen 2 an die Lei
stungstransistoren 6a bis 6d vorgesehen sein, z. B. in Form
individueller elektrischer Verbindungen zwischen je einem der
Leistungstransistoren 6a bis 6d und eines oder mehrerer, ihm
zugeordneter PTC-Heizstreifen 2.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung
sind die zu kühlenden Steuerkomponenten in einer Reihe paral
lel zu den Längsachsen der PTC-Heizstreifen nicht wie im Bei
spiel der Fig. 1 und 2 neben, sondern innerhalb des Heiz
blocks 1 angeordnet, z. B. wiederum zusammen mit einer zugehö
rigen Fixierleiste, d. h. die Steuerkomponentenreihe bildet
eine innere Lage des Heizblockstapels, wie dies im Ausfüh
rungsbeispiel der Fig. 1 und 2 z. B. für den Federstreifen
5 der Fall ist.
In einer weiteren Variante der Erfindung können zusätzlich zu
dem einen "Dummy"-Streifen 16 des Ausführungsbeispiels der
Fig. 1 und 2 je nach Bedarf einer oder mehrere weitere,
gleichartige "Dummy"-Streifen innerhalb des Heizblocks vorge
sehen sein, beispielsweise um eine bestimmte Heizleistungs
verteilung über den Heizblock hinweg zu erzielen oder dessen
Heizleistung in kontrollierter Weise zu begrenzen.
Eine Anordnung der Reihe zu kühlender Steuerkomponenten
und/oder eines "Dummy"-Streifens im Inneren des Heizblocks,
z. B. im Mittenbereich entsprechend der Lage des Federstrei
fens 5 im Beispiel der Fig. 1 und 2, kann unter anderem für
den Anwendungsfall einer sogenannten getrennten Rechts/Links-
Luftregelung bei Klimatisierungseinrichtungen für Fahrzeugin
nenräume von Vorteil sein, um mit dem auf diese Weise zwei
teiligen Heizblock die Luft für die Fahrerseite einerseits
und die Beifahrerseite andererseits individuell zu erwärmen.
Claims (6)
1. Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für ein
Kraftfahrzeug, mit
- - mehreren Heizelementen (2), die zu einem Heizblock (1) zu sammengesetzt sind, der in einem Rahmen (4a bis 4d) gehal ten und von einem zu erwärmenden Medium durchströmbar ist, und
- - einer Steuervorrichtung mit mehreren zu kühlenden, neben oder innerhalb des Heizblocks in einer Reihe angeordneten Steuerkomponenten (6a bis 6d) zur Ansteuerung der Heizele mente,
- - dadurch gekennzeichnet, daß
- - den zu kühlenden Steuerkomponenten (6a bis 6d) eine ge meinsame, sich entlang der Steuerkomponentenreihe erstrec kende Kühlwellrippe (15) zugeordnet ist, mit der sie wär meleitend verbunden sind.
2. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1, weiter da
durch gekennzeichnet, daß die zu kühlenden Steuerkomponenten
(6a bis 6d) entlang eines Blockseitenbereiches angeordnet
sind.
3. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlwellrippe (15) in
nerhalb des Rahmens (4a bis 4d) angeordnet und durch einen
Wärmeisolationsstreifen (16) thermisch vom Heizblock (1) ent
koppelt ist.
4. Elektrische Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1
bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die zu kühlenden
Steuerkomponenten (6a bis 6d) in Ausnehmungen (7a bis 7d) ei
ner Fixierleiste (8) untergebracht sind.
5. Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere nach einem
der Ansprüche 1 bis 4, mit
- - mehreren Heizelementen (2), die zu einem Heizblock (1) zu sammengesetzt sind, der in einem Rahmen (4a bis 4d) gehal ten und von einem zu erwärmenden Medium durchströmbar ist, und
- - einer Steuervorrichtung mit mehreren zu kühlenden, neben oder innerhalb des Heizblocks in einer Reihe angeordneten Steuerkomponenten (6a bis 6d) zur Ansteuerung der Heizele mente,
- - dadurch gekennzeichnet, daß
- - die zu kühlenden Steuerkomponenten (6a bis 6d) mit einem heizstromführenden Anschluß elektrisch an einen gemeinsa men Verbindungsleiterstreifen (11) angeschlossen sind, der elektrisch mit einer Kontaktleiste (12) verbunden ist, welche sich senkrecht zum Verbindungsleiterstreifen längs eines Blockseitenbereiches erstreckt und an welche die Heizelemente (2) gemeinsam angeschlossen sind.
6. Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 5, weiter da
durch gekennzeichnet, daß der Verbindungsleiterstreifen (11)
aus einem wärmeleitenden Material besteht und die zu kühlen
den Steuerkomponenten (6a bis 6d) über ihn wärmeleitend mit
der Kühlwellrippe (15) verbunden sind.
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