-
Die
Erfindung betrifft ein elektrisches Heizmodul nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Dieses Heizmodul ist insbesondere zur Luftstromerwärmung in
Fahrzeugen, wie Kraftfahrzeugen und Flugzeugen vorgesehen. Es besteht
im Wesentlichen aus mindestens einem PTC-Heizelement und mindestens
einem daran angrenzenden, luftdurchströmbaren Wärmeabgabebereich mit wärmeleitenden
Lamellen, die mit dem PTC-Heizelement in Wirkverbindung stehen.
Das PTC-Heizelement ist mit den wärmeleitenden Lamellen in einem
Rahmen zu einem Modul zusammengefasst. Die wärmeleitenden Lamellen enthalten
Wärmeübergangsabschnitte,
die auf dem PTC-Heizelement wärmeleitend
aufliegen. Alternativ oder zusätzlich
können
sie auch auf einem Kontaktelement wärmeleitend aufliegen, welches
am PTC-Heizelement angebracht ist und den für den Betrieb des PTC-Heizelements
notwendigen Strom führt.
Innerhalb des Rahmens ist ein Federelement vorgesehen, das die Wärmeübergangsabschnitte
der wärmeleitenden
Lamellen an das PTC-Heizelement bzw. das Kontaktelement anpresst.
So ist eine gute Wärmeauskopplung
vom PTC-Heizelement in die wärmeleitenden
Lamellen gewährleistet.
-
PTC-Elemente
sind Halbleiter-Widerstände aus
Keramik, deren ohmscher Widerstand temperaturabhängig ist. Die Widerstands-Temperatur-Kennlinie
verhält
sich nichtlinear: Der Widerstand eines PTC-Heizelements sinkt mit
steigender Bauteiltemperatur zunächst
leicht, um dann bei einer charakteristischen Temperatur (Referenztemperatur)
sehr steil anzusteigen. Dieser insgesamt positive Verlauf der Widerstands-Temperatur-Kennlinie
(PTC = Positive Temperature Coefficient) führt dazu, dass ein PTC-Heizelement
selbstregelnde Eigenschaften aufweist. Bei einer Bauteiltemperatur,
die deutlich niedriger als die Referenztemperatur liegt, weist das PTC-Heizelement
einen niedrigen Widerstand auf, so dass entsprechend hohe Stromstärken durchgeleitet werden
können.
Wenn für
eine gute Wärmeabfuhr von
der Oberfläche
des PTC-Heizelements
gesorgt ist, wird also entsprechend viel elektrische Leistung aufgenommen
und als Wärme
abgegeben. Steigt die Temperatur des PTC-Heizelements jedoch über die Referenztemperatur,
steigt der PTC-Widerstand rasch an, so dass die elektrische Leistungsaufnahme auf
einen sehr geringen Wert begrenzt wird. Die Bauteiltemperatur nähert sich
dann einem oberen Grenzwert, der abhängig ist von der Wärmeaufnahme
der Umgebung des PTC-Heizelements.
Unter normalen Umweltbedingungen kann die Bauteiltemperatur des PTC-Heizelements
also nicht über
eine charakteristische höchste
Temperatur ansteigen, selbst wenn die gewollte Wärmeableitung im Störfall völlig unterbrochen
wird. Dies und die selbstregelnden Eigenschaften eines PTC-Heizelements, aufgrund
deren die aufgenommene elektrische Leistung genau der abgegebenen
thermischen Leistung entspricht, prädestiniert PTC-Heizelemente für den Einsatz
in Heizungs- bzw. Klimaanlagen von Fahrzeugen oder bei sonstigen Anwendungen
von Luftstromerwärmungen
in Fahrzeugen. Denn aus Sicherheitsgründen dürfen in diesem Anwendungsgebiet
auch im Störfall
keine feuergefährlichen
Temperaturen im Heizelement entstehen, wobei gleichwohl im Normalbetrieb
eine hohe Heizleistung gefordert wird.
-
Zur
Innenraumheizung von Kraftfahrzeugen ist es bereits bekannt, elektrische
Heizmodule mit einem Rahmen, der eine Mehrzahl von PTC-Heizelementen
und daran angrenzenden, luftdurchströmbaren Wärmeabgabebereichen mit wärmeleitenden
Lamellen zu einem Modul zusammenfasst, einzusetzen. Ein Beispiel
für derartige
bekannte elektrische Heizmodule findet sich in der
EP 0 350 528 A1 . Das dort
beschriebene, bekannte Heizmodul besteht aus mehreren Lagen von
flächig
nebeneinander angeordneten, mit ihrer Schmalseite im Luftstrom stehenden
PTC-Heizelementen, die an ihren flachen Oberseiten und ihren Unterseiten
jeweils mit Kontaktblechen elektrisch kontaktiert sind. Die daran
angrenzenden Wärmeabgabebereiche
weisen mäanderförmig angeordnete
Metalllamellen auf, die ebenfalls mit ihrer Schmalseite im Luftstrom
stehen und an ihrer Breitseite die Kontaktierungsbleche der PTC-Heizelemente
in regelmäßigen Abständen für einen
Wärmeübergang
aufliegend thermisch kontaktieren. Um eine gute Wärmeauskopplung
aus den PTC-Heizelementen die die wärmeleitenden Lamellen und somit in
den Luftstrom zu erzielen, ist ein wellenförmig gebogenes, unter Vorspannung
stehendes Blech als Federelement in den Rahmen eingesetzt, dessen elastische
Federkraft die abwechselnd angeordneten Wärmeabgabebereiche mit wärmeleitenden
Lamellen und die Stege mit den PTC-Heizelementen aufeinanderpresst.
-
Ein
weiteres Beispiel für
einen solchen bekannten Aufbau eines elektrischen Heizmoduls der eingangs
genannten Art ist in der
EP
1 432 287 A1 beschrieben. Das dort offenbarte elektrische
Heizmodul mit PTC-Heizelementen enthält als Federelement ein ebenes
Blech mit elastisch aufgebogenen Durchbrechungen, die für den Anpressdruck
zwischen den wärmeleitenden
Lamellen und den Stegen mit den PTC-Heizelementen sorgen.
-
Aufgrund
der notwendigerweise sehr dünnen Ausbildung
der wärmeleitenden
Lamellen, die mit ihren Breitseiten mäanderförmig zwischen zwei Stegen mit
PTC-Heizelementen oder zwischen einem solchen Steg und dem Rahmen
zusammengepresst angeordnet sind, muss die Federkraft des Federelements
definiert begrenzt sein. Ansonsten besteht die Gefahr einer ungewollten
plastischen Verformung der wärmeleitenden
Lamellen. Andererseits darf die Federkraft auch nicht zu klein sein,
da sonst der Wärmeübergang
von den PTC-Heizelementen
in die wärmeleitenden
Lamellen nicht optimal ist. Dies bedingt hohe fertigungstechnische
Anforderungen bei der Herstellung der in der Regel für den vorliegenden
Anwendungsfall speziell anzufertigenden Federelemente sowie eine
entsprechende Sorgfalt beim Zusammenbau des Heizmoduls.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein
elektrisches Heizmodul der eingangs genannten Art hinsichtlich des
Federelements zu vereinfachen bzw. zu verbessern.
-
Gelöst ist diese
Aufgabe durch ein elektrisches Heizmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den Ansprüchen
2 bis 16 niedergelegt.
-
Nach
der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches Heizmodul der eingangs
genannten Art also dadurch verbessert, dass das Federelement nunmehr
aus weichelastischem Material, insbesondere einem Elastomer besteht.
Im Rahmen der Erfindung können
also die verschiedenartigsten, ganz normal im Handel erhältlichen
weichelastischen Materialien, wie z. B. Gummi oder weichelastische Kunststoffe
verwendet werden, wobei deren Federkraft maßgeblich vom gewählten Material
und dessen Materialstärke
abhängt
und daher an deren Fertigung bei der Herstellung des Heizmoduls
keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Es ist lediglich
eine Auswahl der geeigneten Materialien für ein konkretes Heizmodul-Modell
zu treffen, um die Anforderungen – einerseits keine zu kleine
und andererseits keine zu große
Federkraft – zu
erfüllen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Federelements besteht darin,
dass dieses weder elektrisch noch thermisch leitend ist. Dies vergrößert den
Spielraum für
unterschiedliche Anordnungen der Einzelteile des Heizmoduls.
-
Im
Rahmen der Erfindung kann das elektrische Heizmodul auch mit einem
Rahmen ausgestattet sein, der zumindest bereichsweise aus weichelastischem
Material, beispielsweise Gummi besteht. Dieser weichelastische Bereich
eines solchen Rahmens kann dann durch eine geeignete Formung desselben
die Funktion des Federelements übernehmen.
Dies vereinfacht die Fertigung des elektrischen Heizmoduls beträchtlich,
da ein ansonsten separat vorliegendes Bauteil eingespart wird.
-
Besondere
Vorteile ergeben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn
der Rahmen des Heizmoduls trennbar ist, und zwar in einer Trennebene,
die in etwa senkrecht zur Durchströmungsrichtung des Wärmeabgabebereichs
verläuft,
also nicht, wie bisher im Stand der Technik ausschließlich der Fall,
in einer zur Durchströmungsrichtung
des Wärmeabgabebereichs
parallelen Ebene. Das (separate oder durch einen Teil des Rahmens
gebildete) Federelement ist dabei so im Rahmen angeordnet, dass der
Anpressdruck der Wärmeübergangsabschnitte der
wärmeleitenden
Lamellen auf die PTC-Heizelemente bzw. die Kontaktelemente im Wesentlichen parallel
zur Richtung des Luftstroms verläuft.
Die wärmeleitenden
Lamellen und die PTC-Heizelemente können dann also in eine Hälfte des
Rahmens eingesetzt werden und der Rahmen dann durch einfaches Aufsetzen
der anderen Hälfte
geschlossen werden, ohne Gefahr zu laufen, dass die wärmeleitenden Lamellen
durch zu hohe Kräfte,
insbesondere eine zu hohe Federkraft, verformt werden. Denn die
wärmeleitenden Lamellen
verlaufen mit ihren Breitseiten parallel zum Luftstrom, so dass
sie leicht von diesen durchströmbar
sind. Der Anpressdruck wirkt bei der vorliegenden bevorzugten Trennbarkeit
des Rahmens demgegenüber
also auf die Schmalseiten der Lamellen, da er ebenfalls parallel
zum Luftstrom gerichtet ist. In Richtung ihrer Schmalseiten weisen
die wärmeleitenden
Lamellen jedoch naturgemäß die höchste Stabilität auf. Hierdurch
kann nicht nur der Anpressdruck für einen besseren Wärmeübergang erhöht werden,
sondern es ist insbesondere auch erstmals möglich, ein elektrisches Heizmodul
mit PTC-Heizelementen
vollautomatisch maschinell zusammenzusetzen.
-
Für eine maschinelle
Fertigung des vorliegenden elektrischen Heizmoduls ist es bevorzugt, wenn
das Federelement im Bereich der Trennebene des Rahmens angeordnet
ist.
-
Die
wärmeleitenden
Lamellen sind vorzugsweise aus U-Profilen gefertigt, deren U-Rücken die Wärmeübergangsabschnitte
bilden. Der Anpressdruck des Federelements wirkt dann weiterhin
auf die Schmalseiten der durch die U-Schenkel gebildeten luftdurchströmten Lamellen,
die in diese Richtung eine sehr hohe Stabilität aufweisen, während die U-Rücken der
U-Profile senkrecht dazu verlaufen und eine vorteilhaft große Auflagefläche der
wärmeleitenden
Lamellen auf dem PTC-Heizelement bzw. dessen Kontaktelement bilden.
-
Die
U-Schenkel der wärmeleitenden
Lamellen können
hierbei mit Oberflächenstrukturierungen, insbesondere
sickenartigen Strukturen zur Lenkung und auch insbesondere zur Verwirbelung
des Luftstroms versehen sein. Die Erzeugung von Wirbeln im Luftstrom
an solchen Oberflächenstrukturierungen verbessert
die konvektive Wärmeleitung
im Luftstrom und somit die Wärmeauskopplung
von den Lamellen in den Luftstrom.
-
Der
Rahmen kann mit in den Luftstrom reichenden, strömungsführenden Stegen versehen sein,
so dass durch eine geeignete Luftstromführung die Wärmeauskopplung in den Luftstrom
nochmals verbessert werden kann.
-
An
den eben erwähnten
strömungsführenden
Stegen können
konzentrisch angeordnete Führungsringe
im Luftstrom angeordnet sein. Je nach Anwendungs fall kann es sehr
vorteilhaft sein, diese Führungsringe
aus der axialen Ebene heraus gekippt anzuordnen, insbesondere in
einer konzentrischen, konischen Form, so dass der Luftstrom an den
Führungsringen
beim Ausströmen
nach radial außen
abgelenkt wird bzw. wenn die Führungsringe
im Einströmbereich
des Heizlüfters
angeordnet sind, in die axiale Richtung umgelenkt wird. Zusätzlich zum
Effekt der Luftströmführung, die
je nach Anwendungsfall von der entsprechenden Luftstromablenkung
profitiert, kann eine konzentrische konische Ausformung von Führungsringen
die Gefahr eines Eintritts von Fremdkörpern in den Luftströmungskanal
verringern.
-
Der
grundlegende Aufbau des erfindungsgemäßen elektrischen Heizmoduls
kann vorsehen, dass mehrere PTC-Heizelemente umfangsverteilt um
einen Wärmeabgabebereich
angeordnet sind, beispielsweise in einer kreisrunden Form. Alternativ oder
zusätzlich
kann das mindestens eine PTC-Heizelement im Zentrum des Wärmeabgabebereichs
angeordnet sein. Diese beiden Anordnungsmöglichkeiten sind dann besonders
vorteilhaft, wenn der Rahmen des Heizmoduls in einer senkrecht zur
Luftströmungsrichtung
liegenden Ebene teilbar ist und der Anpressdruck der wärmeleitenden
Lamellen auf die PTC-Heizelemente
axial, also parallel zur Luftströmungsrichtung
verläuft.
Denn in diesem Fall ist es sinnvoll, die PTC-Heizelemente so anzuordnen,
dass deren Breitseiten ebenfalls im Wesentlichen senkrecht zur Luftströmungsrichtung
verlaufen; sie stehen also gleichermaßen „quer" im Luftstrom. Dies ist strömungstechnisch
zunächst
nicht optimal, so dass die Anordnung der PTC-Heizelemente am äußeren Rand der wärmeleitenden
Lamellen umfangsverteilt, kreisrund oder auch in Form eines n-Ecks,
die Möglichkeit
bietet, die PTC-Heizelemente
außerhalb
des Durchströmungsbereichs
des Heizmoduls anzuordnen. Gleichzeitig sind die PTC-Heizelemente
dann auch an demjenigen Ort angeordnet, an dem die beiden Rahmenteile
aufeinandertreffen und insofern die höchste Anpresskraft an dieser
Stelle erzeugen. Das Anordnen eines PTC-Heizelements im Zentrum des Wärmeabgabebereichs
ist dann nicht nachteilig, wenn das erfindungsgemäße Heizmodul
mit einem Lüfter
kombiniert wird, der direkt vor oder nach dem Wärmeabgabebereich angeordnet
ist. Denn solch ein Lüfter
ist üblicherweise
mit einem in der Drehachse angeordneten Motor versehen, der den
Wärmeabgabebereich
des Heizmoduls an dieser Stelle ohnehin abschattet.
-
Eine
ringförmige
Ausbildung des Wärmeabgabebereichs
ist für
das vorliegende elektrische Heizmodul besonders bevorzugt, wenngleich
auch andere Formen, wie beispielsweise die herkömmliche Rechteckform realisierbar
sind. Die wärmeleitenden
Lamellen können
dann als zusammenhängender Lamellenring
vorgefertigt sein, was die maschinelle Fertigung des erfindungsgemäßen Heizmoduls
wiederum wesentlich vereinfacht. Das Federelement kann dann aus
einem Dichtungsring, beispielsweise einem handelsüblichen
O-Ring bestehen, wobei zur Vermeidung allzu hoher Anpressdrücke dieser
Dichtungsring durch Einbringen von umfangsverteilten Ausnehmungen
modifiziert werden kann.
-
Die
ringförmige
Anordnung des Wärmeabgabebereichs
mit seinen wärmeleitenden
Lamellen, die vorzugsweise im Wesentlichen radial verlaufend angeordnet
sind, ermöglicht,
dass das erfindungsgemäße elektrische
Heizmodul in einen strömungsgünstigen
zylindrischen Luftströmungskanal
oder ein entsprechendes Rohr eingesetzt werden kann, wobei eine
sehr gleichmäßige Durchströmung des
Wärmeabgabebereichs
ohne Bildung von heißen
Bereichen, wie sie z. B. in den Ecken eines herkömmlichen rechteckigen Heizmoduls
entstehen, gewährleistet ist.
Dies erhöht
nicht zuletzt die Effizienz der eingesetzten PTC-Heizelemente. Die
radial verlaufende Anordnung der wärmeleitenden Lamellen ermöglicht eine
Durchströmung
derselben nicht nur in axialer Richtung, sondern mit einer zusätzlichen
radialen Geschwindigkeitskomponente des Luftstroms, so dass die
Lamellen nicht nur eindimensional, sondern zweidimensional durchströmt werden.
Auch dies erhöht
wiederum die Effizienz der Wärmeauskopplung in
den Luftstrom.
-
Vor
allem ist ein ringförmig
ausgebildetes Heizmodul jedoch zur effizienten Kombination mit einem
Axial- oder Diagonallüfter
geeignet, wofür
vorzugsweise ein Lüftergehäuse am Rahmen
angebracht oder integral an diesen angeformt ist. Der Axial- oder
Diagonallüfter
kann zusammen mit dem Heizmodul als überhitzungssicherer Heizlüfter verwendet
werden, wobei dieser einen bisher nicht dagewesenen flachen Aufbau
aufweist, so dass er sich beispielsweise zum Einsetzen in belüftete Fahrzeugsitze
eignet, um die Sitzheizung zu bilden.
-
Ausführungsbeispiele
für ein
erfindungsgemäßes Heizmodul
werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben
und erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heizmoduls
mit Lüfter;
-
2 das
Ausführungsbeispiel
aus 1 in einer Explosionsdarstellung;
-
3 das
Ausführungsbeispiel
aus 1 in einer Perspektive von unten;
-
4 eine
Explosionsdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Heizmoduls
mit Lüfter;
-
5a, 5b eine
Perspektive und eine Draufsicht eines Lamellenrings in einer ersten
Ausführung;
-
6a, 6b eine
Perspektive und eine Draufsicht eines Lamellenrings in einer zweiten
Ausführung;
-
7a, 7b, 7c eine
Perspektive von oben, von unten und eine Draufsicht einer dritten Ausführung eines
Lamellenrings;
-
8a, 8b eine
Perspektive und eine Draufsicht einer vierten Ausführung eines
Lamellenrings;
-
9a, 9b eine
Perspektive und eine Draufsicht einer fünften Ausführung eines Lamellenrings.
-
In
den 1 bis 3 ist ein erstes Ausführungsbeispiel
eines elektrischen Heizmoduls nach der Erfindung dargestellt, das
mit einem integrierten Lüfter
zu einem Heizlüfter
kombiniert ist. Ein Rahmen 1 ist einstückig mit einem Lüftergehäuse 2 verbunden,
welche beide eine im Wesentlichen zylindrische For mung aufweisen
und in ihrem inneren einen strömungsgünstigen
zylindrischen Kanal für
den zu erwärmenden
Luftstrom bilden. Der Rahmen 1 ist zweigeteilt und besteht
aus einem Oberteil 3 sowie einem Unterteil 4,
die in einer radialen Trennebene 5 aufeinander sitzen und
von Schnapphaken 6 aneinander gehalten werden. Im Ausströmbereich
der dargestellten Vorrichtung weist der Rahmen 1 Stege 7 auf,
die in den Luftstrom hineinreichen und diesen führen. Das Lüftergehäuse 2 beinhaltet einen
Diagonallüfter 8,
der mit Halterungen 9 am Lüftergehäuse 2 befestigt ist.
Beim Diagonallüfter 8 handelt
es sich um einen an sich handelsüblichen
Lüfter
mit zentral angeordnetem (hier nicht dargestellten) Elektromotor.
Um den Blick auf den Lüfter 8 freizugeben,
ist in 2 das Lüftergehäuse 2 teilgeschnitten
dargestellt.
-
Stromabwärts des
Diagonallüfters 8 sind
in der Trennebene, jedoch außerhalb
des zylindrischen Strömungskanals
ringförmig
um diesen herum sechs PTC-Heizelemente 10,
auf einem unteren Ringblech 11 aufgeklebt, angeordnet.
Darüber
ist ein oberes Ringblech 12 aus Aluminium auf die PTC-Heizelemente 10 aufgelegt,
um diese elektrisch sowie thermisch zu kontaktieren. Das obere Ringblech 12 gibt die
aus den PTC-Heizelementen 10 ausgekoppelte Wärme an einen
Lamellenring 13 weiter, welcher einen erfindungsgemäß ringförmig ausgebildeten
Wärmeabgabebereich
bildet, indem seine einzelnen Lamellen radial zum Zentrum hin in
den zylindrischen Luftströmungskanal
hineinreichen.
-
Die
Baueinheit aus unterem Ringblech 11, PTC-Heizelementen 10,
oberem Ringblech 12 und Lamellenring 13 wird zwischen
dem Oberteil 3 und dem Unterteil 4 des Rahmens 1 gehalten.
Hierfür
ist im Unterteil 4 des Rahmens 1 eine Aufnahme 17 vorgesehen.
Für einen
effizienten Wärmeübergang
von den Breitseiten der PTC-Heizelemente 10 über das obere
Ringblech 12 auf den Lamellenring 13 ist ein hoher
Anpressdruck unerlässlich.
Dieser wird durch ein weichelastisches Federelement 14,
das hier durch Einfräsen
von Ausnehmungen 15 aus einer handelsüblichen O-Ring-Dichtung gefertigt
wurde, gewährleistet.
Denn dieses erzeugt im Zusammenwirken mit den Schnapphaken 6 eine
Anpresskraft zwischen dem Lamellenring 13 und dem oberen Ringblech 12 sowie
zwischen dem oberen Ringblech 12 und den PTC-Heizelementen 10.
-
Wie
anhand von 2 deutlich zu erkennen ist,
wirkt die Anpresskraft im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik
in axialer Richtung auf die Lamellen des Wärmeabgabebereichs, also parallel
zur Luftströmung.
Da hierdurch die Schmalseiten der Lamellen mit der Anpresskraft
beaufschlagt werden, können
diese aufgrund ihrer in dieser Richtung höheren Stabilität größere Toleranzen
in der Anpresskraft verkraften, so dass ein maschinelles Zusammensetzen
des dargestellten Heizlüfters
problemlos möglich ist.
Die Möglichkeit
zur maschinellen Fertigung wird noch dadurch unterstützt, dass
für das
Federelement 14 ein Dichtungssitz 16 im Unterteil 4 des
Rahmens 1 vorgesehen ist, und dass die beiden Ringbleche 11, 12 jeweils
eine Kontaktzunge 18 tragen, die bei zusammengesetztem
Rahmen 1 aus diesem herausragen und zur elektrischen Kontaktierung
der PTC-Heizelemente 10 verwendet werden können.
-
Die
Verwendung eines Diagonallüfters 8 und die
Anordnung des Lamellenrings 13, also des luftdurchströmbaren Wärmeabgabebereichs
stromabwärts
des Diagonallüfters 8 sowie
die entsprechende Formung des Oberteils 3 des Rahmens 1 führt dazu, dass
der Lamellenring 13 nicht nur axial, sondern auch mit einer
diagonalen Komponente von innen nach außen durchströmt wird.
Die radiale Anordnung der aus U-Profilen 19 bestehenden
einzelnen Lamellen des Lamellenrings 13 unterstützt diese
Luftführung.
Die Lamellen bestehen allerdings nicht aus durchgehenden U-Profilen 19;
der U-Rücken
ist vielmehr nur an der radial außen liegenden Seite vorhanden
und bildet dort Wärmeübergangsabschnitte 20, mit
denen der Lamellenring 13 auf dem oberen Ringblech 12 aufliegt
und vermittels des Federelements 14 auf das Ringblech 12 aufgepresst
wird.
-
Das
in den 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel
stellt einen besonders kompakten und dennoch effizienten Heizlüfter dar,
der mit seinen PTC-Heizelementen 10 selbstregelnd,
sicher und sehr schnell reagierend eine effiziente Beheizung beispielsweise
von belüfteten
Kraftfahrzeugsitzen ermöglicht.
Durch Abschalten der PTC-Heizelemente kann der Heizlüfter wahlweise
als Lüfter
zur Kühlung dienen.
Die gezeigte Anordnung mit einem ringförmigen Wärmeabgabebereich und einem
davor geschalteten Diagonallüfter,
der selbstverständlich
auch ein Axiallüfter
sein kann, stellt gleichzeitig sicher, dass ein hohes Luftvolumen
bei geringer Leistungsaufnahme des Lüfters 8 mit vorteilhaft
geringen Ausströmgeschwindigkeiten
durchgeleitet werden kann.
-
Anhand 2 sei
ergänzt,
dass das Lüftergehäuse 2 auch
lösbar
am Rahmen befestigt sein kann. Es ist auch vorstellbar, dass zumindest
der Rahmen 1 aus weichelastischem Material, beispielsweise
Hartgummi besteht, so dass bei einer entsprechenden Ausformung der
Aufnahme 17 oder einer vom Rahmen 1 nach innen
eingezogenen Gehäuselippe
auf das separate Federelement 14 verzichtet werden kann,
da die Federkraft vom Rahmen 1 bzw. einer entsprechenden
Lippe erzeugt wird.
-
Selbstverständlich ist
es auch möglich,
den Wärmeabgabebereich
und somit den Lamellenring 13 stromaufwärts des Lüfters, also in dessen laminarer
Anströmzone
anzuordnen. Ein entsprechender Aufbau ist in der 4 als
zweites Ausführungsbeispiel
in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Das hier verwendete Gehäuse 1 besteht
wiederum aus einem Oberteil 3 und einem Unterteil 4,
wobei das Oberteil 3 gleichzeitig als Lüftergehäuse 2 für einen
Axiallüfter 21 dient.
Das Unterteil 4 des Rahmens 1 wird hier am Oberteil 3 mittels
Rastlaschen 22 und entsprechenden Rastvorsprüngen 23 festgelegt.
-
Das
in 4 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel eines Heizlüfters zeigt
außer
der „umgekehrten" Anordnung von Wärmeabgabebereich
des Heizmoduls und Lüfter
eine weitere Modifikation: Die ringförmige Baueinheit, bestehend
aus vier PTC-Heizelementen 10, dem diese tragenden unteren
Ringblech 11, dem oberen Ringblech 12 und dem
weichelastischen sowie thermisch und elektrisch isolierenden Federelement 14 ist
diesmal nicht außerhalb
des in etwa zylindrischen Durchströmbereichs angeordnet, sondern
so, dass die Wärmeübergangsabschnitte 20 der
Lamellen des Lamellenrings 13 in radialer Richtung etwa
mittig im ringförmigen
Durchströmbereich liegen.
Hierfür
ist die Aufnahme 17 im Unterteil 4 des Rahmens 1 etwa
mittig im Einströmbereich
der vom Axiallüfter 21 angesaugten
Luft angeordnet. Der Vorteil dieser Anordnung der Heizelement-Baugruppe besteht
darin, dass sich die aus den PTC-Heizelementen 10 ausgekoppelte
Wärme sehr
schnell und gleichmäßig auf
die gesamte Lamellenfläche
des Lamellenrings 13 verteilt. Ferner wird so auch die
ringförmige
Baugruppe mit den PTC-Heizelementen 10 direkt vom Luftstrom umströmt, so dass
eine zusätzliche
Wärmeauskopplung
in den Luftstrom hinein stattfindet. Dies ist aufgrund der Widerstands-Temperatur-Charakteristik
eines PTC-Heizelements sehr vorteilhaft und führt zu einer höheren Effizienz
des Heizmoduls.
-
Das
untere Ringblech 11 und das obere Ringblech 12 weisen
jeweils eine Kontaktzunge 18 auf, die zum Zentrum des zylindrischen
Luftströmungskanals
hin weisen, um zusammen mit dem (nicht dargestellten) Lüftermotor
kontaktiert zu werden.
-
In
entsprechender Weise sind andere Modifikationen der gezeigten Ausführungsbeispiele
möglich.
So kann beispielsweise der zentrale Bereich des zylindrischen Strömungskanals,
der durch den Lüftermotor
ohnehin abgeschattet wird, zur Anordnung eines runden oder mehrerer
sternförmig
oder sonst wie angeordneter PTC-Heizelemente genutzt werden. Dies
kann auch zusätzlich
zu einem äußeren PTC-Heizelement-Ring
in der in den 1 bis 3 dargestellten
Art kombiniert werden. Ebenso ist es möglich, sowohl stromaufwärts als
auch stromabwärts
eines Lüfters
ein elektrisches Heizmodul nach der vorliegenden Erfindung anzuordnen,
oder umgekehrt stromaufwärts
und stromabwärts
eines Lamellenrings jeweils einen Lüfter einzusetzen. Selbstverständlich kann
ein erfindungsgemäßes elektrisches Heizmodul
auch mit einem Radiallüfter
kombiniert werden.
-
Die 5 bis 9 zeigen
schließlich
unterschiedliche Ausführungsbeispiele
von Lamellenringen 13, die sich sowohl in ihrer Fertigungstechnik
als auch in der jeweiligen radialen Lage der Wärmeübergangsabschnitte 20 unterscheiden.
-
In
den 5a und 5b ist
ein Lamellenring 13 dargestellt, der aus einzelnen U-Profilen 19, die
im Wesentlichen radial verlaufen, zusammengesetzt ist. Hierfür sind die
U-Profile 19 radial innenliegend mit Laser-Schweißpunkten 24 mechanisch
wie auch thermisch verbunden. Die U-Rücken 25 der U-Profile 19 erstrecken
sich nur über
einen radial außenliegenden
Abschnitt und bilden die Wärmeübergangsabschnitte 20 zum
thermischen Kontaktieren der PTC-Heizelemente 10 bzw.
des unteren oder, je nach Ausführungsform,
des oberen Ringblechs 11, 12.
-
In
den 6a und 6b ist
ein sehr ähnlicher
Aufbau eines Lamellenrings 13 mittels U-Profilen 19 dargestellt.
Die U-Rücken 25 der
U-Profile 19 bilden auch hier wieder die Wärmeübergangsabschnitte 20,
wobei diese jedoch nach oben zeigen und für den Einsatz stromaufwärts eines
Lüfters
gedacht sind. Gleichzeitig sind die U-Profile 19 mit Sicken 26 versehen,
um einerseits deren Stabilität
in Axialrichtung zu erhöhen
(was einen höheren
Anpressdruck auf die PTC-Heizelemente 10 bzw.
das entsprechende Ringblech 11, 12 ermöglicht),
und zum anderen wird die Luft, die durch den Lamellenring 13 strömt, zusätzlich zu
verwirbeln, was einen besseren Wärmeübergang
aus den Lamellen 19 in den Luftstrom zur Folge hat.
-
Der
Lamellenring 13, der in den 7a, 7b und 7c dargestellt
ist, besteht nicht aus einer Mehrzahl von einzeln gefertigten Lamellen
bzw. Profilen, sondern aus einem gefalteten Formblech. Dementsprechend
ist der hier wiederum radial außenliegende
Wärmeübergangsabschnitt 20,
der nun nicht mehr aus einzelnen U-Rücken 25 gebildet ist,
in Umfangsrichtung durchgehend ausgebildet, was eine höhere Heizleistung
der PTC-Heizelemente 10 ermöglicht, da die Wärmeauskopplung
in den Lamellenring 13 höher ist. Anhand 7b kann
man außerdem
sehr gut erkennen, dass der Lamellenring 13 in Radialrichtung
axial abgestuft ausgebildet ist.
-
Der
in den 8a und 8b dargestellte Lamellenring 13 besteht
wiederum aus einzelnen U-Profilen 19, die mittels Schweißpunkten 24 mechanisch
und thermisch untereinander verbunden sind. Im Gegensatz zum in
den 5a und 5b dargestellten
Lamellenring 13 sind hier die U-Rücken 25 der U-Profile 19 radial
innenliegend angeordnet und setzen sich nach radial außen nicht
fort, sondern bilden die Wärmeübergangsabschnitte 20 zur
direkten oder indirekten Kontaktierung der PTC-Heizelemente 10.
Dieser Lamellenring 13 eignet sich also für den Einsatz
in einem elektrischen Heizmodul, in dem die PTC-Heizelemente 10 zentral innenliegend
angeordnet sind.
-
In
den 9a und 9b schließlich ist
der Lamellenring 13 aus 4 dargestellt.
Er besteht wiederum aus einer Mehrzahl von U-Profilen 19,
die über
Schweißpunkte 24 mechanisch
und thermisch untereinander verbunden sind, wobei wiederum die U-Rücken 25 nicht über die
gesamte Länge
der U-Profile 19 verlaufen, sondern sich radial nur soweit erstrecken,
wie es zur Bildung der Wärmeübergangsabschnitte 20 notwendig
ist. Die Wärmeübergangsabschnitte 20 sind
für jedes
U-Profil 19 etwa mittig angeordnet, so dass die Wege zur
Wärmeleitung
in jedem U-Profil 19 vorteilhaft kurz gehalten sind. Im Bereich
der U-Rücken 25 sind
wiederum jeweils vier Sicken 26 an jedem U-Profil 19 angebracht,
so dass die U-Profile 19 und somit insgesamt der Lamellenring 13 eine
hohe Stabilität
aufweisen.