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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Erwärmen
von Waschflüssigkeit
in einem Kfz.
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Bekannt ist ein Durchlauferhitzer
zur Beheizung von Waschflüssigkeit
für eine
Kfz-Scheibenwaschanlage, wobei die verwendeten Heizelemente als Flachheizstäbe mit PTC-Heizelementen
ausgebildet sind und in eine Flüssigkeitskammer
ragen. (
EP 1213 197 ).
Um zu verhindern, dass das Wasser beim Durchströmen durch die Flüssigkeitskammer
eine sogenannte „Kurzschlussströmung" ausgebildet, d.h. auf
dem kürzesten
Weg vom Einlass zum Auslass durchströmt, ohne an der Oberfläche der
Heizelemente vorbeizuströmen
und sich dadurch ein schlechter Wirkungsgrad ausbildet, wird vorgeschlagen,
die Flüssigkeitskammer
in zwei Kammern mit jeweils zwei Flachheizstäben zu unterteilen, die durch einen
Verbindungskanal miteinander verbunden sind. Durch diese kaskadierten
Flüssigkeitskammern wird
die direkte „Kurzschlussströmung" wohl behindert,
die Anordnung ist aber sehr aufwändig
und teuer und hat einen großen
Platzbedarf, da vier Flachheizstäbe
bei einer zu erhitzenden Waschflüssigkeitsmenge
von ca. 200 ml vorgesehen sind. Darüber hinaus ist trotz altem
der Wirkungsgrad noch nicht zufriedenstellend.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
eine Vorrichtung zur Beheizung von Waschflüssigkeit in einem Kfz zu entwickeln,
die preisgünstig
herstellbar ist und einen geringen Platzbedarf hat, darüber hinaus aber
auch einen guten Wirkungsgrad gewährleistet. Um einen guten Wirkungsgrad
erreichen zu können, muss
zum einen eine hohe Wärmestromdichte
von der Heizeinheit zur Waschflüssigkeit
gegeben sein, zum anderen muss verhindert werden, dass die im Ruhebetrieb
erwärmte
Flüssigkeit
beim anschließenden
Betätigen
der Sprühtaste
sich mit nachströmendem
kaltem Wasser vermischt und so die Flüssigkeitstemperatur während des
Sprühvorganges
wieder herabsetzt.
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Durch einen guten Wirkungsgrad ist
es so möglich,
in kurzer Zeit so viel erwärmte
Flüssigkeit zur
Verfügung
zu stellen, dass damit in warmen Jahreszeiten Schmutz und Insektenrückstände leicht entfernbar
sind, in kalten Jahreszeiten es möglich ist, zugefrorene Scheiben
zu enteisen oder zumindest anzutauen oder zu verhindern, dass enteiste
Scheiben nach dem Starten wieder zufrieren.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die
Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beispielhaften Ausführungen
und den Unteransprüchen
dargestellt.
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In einem vorzugsweise zylinderförmigen Heizbehälter ist
dabei mittig in axialer Richtung ein Flachheizkörper angeordnet, vorzugsweise
ein PTC-Flachheizkörper.
Durch die tangentiale Einströmrichtung
des Waschwassers am – im
eingebauten Zustand – unteren
Teil des Heizbehälters
bildet sich im Durchflussbetrieb, d.h. beim Betätigen der Sprühtaste,
eine wendelartige Strömung
zu der – im eingebauten
Zustand – im
oberen Teil des Heizbehälters
liegenden Auslassöffnung
hin aus. Somit wird eine Strömungsführung ohne
zusätzliche
Einbauten jeglicher Art erreicht. Der Verzicht auf zusätzliche Einbauten
zur Strömungsführung hat
dabei zum einen den Vorteil, dass die Vorrichtung zur Beheizung der
Waschflüssigkeit
konstruktiv einfach und preisgünstig
hergestellt werden kann, zum anderen wird so im Ruhebetrieb vorteilhaft
die natürliche
ungehinderte Konvektion und der Auftrieb der erwärmten Flüssigkeit ausgenutzt, was trotz
der geringen Wärmetauschfläche des
einzigen Flachheizkörpers
zu einer schnellen und gleichmäßigen Erwärmung der
gesamten Waschflüssigkeit führt. Unterstützt wird
diese konstruktive Ausgestaltung durch ein Flächenheizelement mit sehr guter
Wärmeübertragung
an die Waschflüssigkeit.
Vorteilhaft ist das Flächenheizelement
dabei als in einem Rohr angeordnete PTC-Elemente ausgeführt. Äußerst bevorzugt ist das Rohr dabei
ein Flachrohr aus einem gut wärmeleitenden Material
wie z.B. Aluminium, das mit den PTC-Elementen gegebenenfalls unter Zwischenlage
von Kontaktkörper(n)
und/oder Isolierschichten) verpresst ist. Bei der Verwendung von
PTC-Elementen kann vorteilhaft sogar auf eine aufwändige Elektronik verzichtet
werden, da die PTC-Elemente
selbstregulierend und eigensicher sind, d.h. die Waschflüssigkeit
auch ohne Elektronik nicht über
eine maximal gewünschte
Temperatur erwärmt
wird.
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Vorzugsweise kann im Bereich der
Auslassöffnung
ein Temperatursensor angeordnet sein. Dadurch ist es möglich anzuzeigen,
dass die Waschflüssigkeit
eine vorgegebene Solltemperatur erreicht hat.
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Bevorzugt ist der Heizbehälter so
eingebaut, dass die axiale Ausrichtung vertikal ist, wobei der Flachheizkörper dann
an der unteren Stirnseite des Heizbehälters befestigt ist. Denkbar
ist aber auch noch ein schräger
Einbau, solange dadurch der natürliche
Auftrieb des erwärmten
Waschwassers noch ausgenutzt werden kann. Aus diesem Grund ist bevorzugt
der Heizbehälter
in einem Winkel zwischen 0° < α < 60° eingebaut.
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Weiterhin bevorzugt ist der Einbau
des Heizbehälters
in den Vorratsbehälter
der Waschflüssigkeit.
Dadurch kann die vom Flächenheizelement
erzeugte Wärme über den
Heizbehälter
auch an die gesamte übrige
Waschflüssigkeit
im Vorratsbehälter
abgegeben werden, die dadurch allmählich ebenfalls erwärmt werden
kann. Die Differenz zwischen Einlasstemperatur am Heizbehälter und
Soll-Auslasstemperatur kann über
längere
Zeit so verringert werden, was die Aufheizzeit im Heizbehälter weiter
verringert. Vorteilhaft wird auch durch den Einbau des Heizbehälters in
den Vorratsbehälter
kein zusätzlicher
Bauraum für
den Heizbehälter
benötigt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale
sind den beispielhaften Ausführungen
und den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Dabei zeigt
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1:
einen schematischen Querschnitt durch die Scheibenwaschanlage
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2:
einen Längsschnitt
durch den Heizbehälter
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3:
einen Querschnitt durch den Heizbehälter entlang der Linie A – A
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4:
einen Querschnitt durch den Flachheizkörper entlang der Linie A – A
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1 zeigt
schematisch eine Scheibenwaschanlage. In einem großen Vorratsbehälter (2)
befindet sich die Waschflüssigkeit.
An der Unterseite des Vorratsbehälters
(2) ragt flüssigkeitsdicht
angebracht der Heizbehälter
(3) in den Vorratsbehälter
(2). Alternativ kann der Heizbehälter (3) aber auch
außerhalb
des Vorratsbehälters
(2) separat angebracht sein. Der Heizbehälter (3)
ist zylinderförmig
mit rundem Querschnitt ausgeführt.
Denkbar wäre
aber auch eine andere Ausführung
wie ovaler Querschnitt oder auch konische Seitenwände. Seitlich
am Vorratsbehälter
(2) ist die Pumpe (4) befestigt. Über eine Ansaugöffnung (5)
fördert
sie beim Betätigen
der Taste (6) Waschflüssigkeit
aus dem Vorratsbehälter (2) über einen
Verbindungsschlauch (29) mit Rückschlagventil (20)
in den Einströmkanal
(7) des Heizbehälters
(3). An der unteren Stirnseite des Heizbehälters (3)
ist ein PTC-Flachheizstab (8) angebracht, der axial mittig
in den Heizbehälter
(3) hineinragt. Durch den hier im Querschnitt nicht zu
erkennenden tangential gerichteten Einströmkanal (7) ergibt
sich beim Betätigen
der Taste (6) eine starke Spiralströmung und die kalte Waschflüssigkeit
bewegt sich wendelartig zwischen der zylindrischen Gehäuseinnenwand
(14) des Heizbehälters
(3) und dem Flachheizstab (8) nach oben zur Auslassöffnung (9),
ohne dass sich die schon erwärmte
Waschflüssigkeit
mit der nachströmenden
kalten Waschflüssigkeit
vermischt. Durch die Auslassöffnung
(9) im oberen Bereich des Heizbehälters (3) wird die
erwärmte Waschflüssigkeit
in einem Kanal (10) zum Anschluss (11) außerhalb
des Vorratsbehälters
(2) geführt,
an dem dann ein Schlauch (12} zur Weiterleitung der erwärmten Waschflüssigkeit
an die Sprühdüsen (13) befestigt
ist.
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2 zeigt
einen Längsschnitt
durch den Heizbehälter
(3). Das Gehäuse
(15) weist im unteren Bereich einen Stutzen (16)
auf. In diesem Stutzen (16) befindet sich der Einströmkanal (7).
An der unteren Stirnseite des Heizbehälters (3) ist der
Flachheizkörper
(8) angebracht. Der Flachheizkörper (8) weist an
seinem unteren Ende einen runden Flansch (17) auf, mit
dessen Hilfe der Flachheizkörper
(8) dichtend in das Gehäuse
(15) eingesetzt ist. Im oberen Bereich des Gehäuses (15)
ist die Auslassöffnung
(9) angeordnet.
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3 zeigt
einen Querschnitt entlang der Linie A – A durch den Heizbehälter (3).
Das Gehäuse (15)
hat einen runden Querschnitt und an seiner Außenseite einen Stutzen (16)
mit dem Einströmkanal (7).
Der außenliegende
Teil (18) des Einströmkanals (7)
ist zumindest abschnittsweise in tangentialer Richtung zum Radius
R der Gehäuseinnenwand
(14) geführt.
Denkbar wäre
aber auch eine tangentiale Führung
in Bezug auf einen kleineren oder größeren Radius. Der zugehörige Radius
zur tangentialen Führung
des innenliegenden Teils (19) des Einströmkanals
(7) sollte mindestens R',
die maximale radiale Abmessung des Flachheizkörpers (8), sein, um
eine zuverlässige
wendelartige Strömungsführung zwischen
der Gehäuseinnenwand
(14) und dem Flachheizkörper
(8) zu gewährleisten.
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4 zeigt
einen Querschnitt durch den Flachheizkörper (8) entlang der
Linie A – A,
allerdings im noch unverpressten Zustand. Das Gehäuse (26) des
gezeigten Flachheizkörpers
(8) ist ein Fließpressteil
aus einem gut wärmeleitenden
Material wie beispielsweise Aluminium. Dabei wird das Gehäuse (26)
von einem Flachrohr mit leicht konkav ausgebildeter Oberseite (26a)
und Unterseite (26b) gebildet. Die Seitenteile (26c und 26d)
sind konvex nach außen
gewölbt.
Im Inneren des Gehäuses
(26) sind keramische PTC-Elemente (23) angeordnet,
welche von einem Rahmen (22) aus Kunststoff in ihrer Position
fixiert sind. Die PTC-Elemente (23) stehen in elektrisch-
und wärmeleitender
Verbindung mit dem vorzugsweise als Aluminiumprofil ausgeführten Kontaktkörper (21),
welcher mindestens einen, bevorzugt zwei Drahtanschlüsse (27)
aufweist, welche bevorzugt den Masseanschluss darstellen. Dazu weist
der Kontaktkörper
(21) Längsnuten
(28) zur Aufnahme der Drahtanschlüsse (27) auf. Ein
Anschlussblech (24), welches beispielsweise als Messingblech
ausgeführt
ist, bedeckt die PTC-Elemente (23) als Potentialanschluss.
Zwischen dem Anschlussblech (24) und dem umgebenden Gehäuse (26)
befindet sich eine Isolierschicht (25) vorzugsweise aus
Aluminiumoxid, welche als Platte ausgebildet ist und bevorzugt mit
den Seitenwänden
des Rahmens (22) verrastet. Bei Bedarf kann aber auch beidseitig
eine Isolierschicht eingebracht werden. Nach dem Einbringen der
inneren Teile wird das Gehäuse
(26) mit den inneren Teilen verpresst. Das Verpressen erzeugt
einen dauerhaften elektrischen und thermischen Kontakt der PTC-Elemente
(23) mit den Anschlüssen
und dem Gehäuse
(26), wodurch ein guter Wirkungsgrad des Flachheizkörpers (8)
gewährleistet
ist. Besonders vorteilhaft ist die einseitige Isolierung der PTC-Heizelemente
(23) gegen das Gehäuse
(26). Dies ergibt zum einen, dass das Gehäuse (26)
auf dem Potential eines der Anschlüsse, hier dem Masseanschluss
liegt, führt
zum anderen aber zu einer wesentlich besseren thermischen Ankopplung
des Gehäuses
(26) an die PTC-Elemente (23). Somit ergibt sich
nicht nur ein besonders einfacher und kompakter Aufbau des Flachheizkörpers, sondern
es ist auch eine hohe Wärmestromdichte
von den PTC-Elementen (23) zur Waschflüssigkeit gegeben. Diese Maßnahme trägt entscheidend
dazu bei, dass mit PTC-Elementen (23), deren maximale Oberflächentemperatur
durch ihre PTC-Charakteristik auf einen Wert unterhalb des Siedepunktes
der Waschflüssigkeit
begrenzt ist und trotzdem eine schnelle und sichere Erwärmung der
Waschflüssigkeit
gewährleistet ist.
Hiermit ist es möglich,
die Waschflüssigkeitsmenge
des Heizbehälters
in ca. 10 min von einer Ausgangstemperatur von –20°C auf eine zum Auftauen ausreichende
Temperatur zu erwärmen.
Zur Erhöhung
der Waschflüssigkeitsmenge
oder der Temperaturdifferenz ist es darüber hinaus außerdem möglich, zwei
oder mehrere erfindungsgemäße Heizbehälter parallel
oder seriell miteinander zu kombinieren.