EP2151639A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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EP2151639A1
EP2151639A1 EP08290762A EP08290762A EP2151639A1 EP 2151639 A1 EP2151639 A1 EP 2151639A1 EP 08290762 A EP08290762 A EP 08290762A EP 08290762 A EP08290762 A EP 08290762A EP 2151639 A1 EP2151639 A1 EP 2151639A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
heating
profile
contact plate
heat
Prior art date
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EP08290762A
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English (en)
French (fr)
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EP2151639B1 (de
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Michael Dipl.-Ing. Kohl
Thomas Dipl.-Ing. Strauss
Karl Dipl.-Ing. Lochmahr
Nicolas Robin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Mahle Behr France Rouffach SAS
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
Behr France Rouffach SAS
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Publication date
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Publication of EP2151639A1 publication Critical patent/EP2151639A1/de
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    • F24H3/02—Air heaters with forced circulation
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    • F24H3/0405—Air heaters with forced circulation the air being in direct contact with the heating medium, e.g. electric heating element using electric energy supply, e.g. the heating medium being a resistive element; Heating by direct contact, i.e. with resistive elements, electrodes and fins being bonded together without additional element in-between
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    • F24H3/0476—Means for putting the electric heaters in the frame under strain, e.g. with springs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24H9/18—Arrangement or mounting of grates or heating means
    • F24H9/1854—Arrangement or mounting of grates or heating means for air heaters
    • F24H9/1863—Arrangement or mounting of electric heating means
    • F24H9/1872—PTC

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • Consumption-optimized vehicles generate less and less waste heat, which is available for warming up the interior. Especially in the starting phase and at low outside temperatures it is necessary to heat up.
  • the auxiliary heating can be effected, for example, via fuel heaters, electric heaters, exhaust gas heat exchangers, etc.
  • the electric heater has proved to be particularly useful because they cost, spontaneously noticeable - that is, the electrical power is immediately converted into heat - and saves space.
  • electric heaters can also be easily integrated or installed in an air conditioning unit and air ducts.
  • the importance of the electric heater is even greater.
  • electrical power of> 3 kW is needed, as a conventional radiator only conditionally or no longer exists.
  • the vehicle electrical system voltage is> 50 V, sometimes even> 300 V. Due to the high required heating power at the heater is also operated with the high voltage in order to keep the current as low as possible.
  • auxiliary heaters Essentially two types of electric auxiliary heaters are known in the prior art. In a first type of electric heater, the electrical power is conducted directly into the coolant. These are the so-called coolant-side heaters. In the second type of electric heater, the electric power is discharged to the air. These are the so-called air-side heaters.
  • the conversion of electrical energy from the electrical system of the vehicle into heat usually takes place in a PTC stone ( Positive Temperature Coefficient ).
  • This ceramic thermistor is a very strong temperature-dependent semiconductor resistor. This means that with increasing temperature the resistance of the ceramic element increases very much. This raises regardless of the boundary conditions - such. B. applied voltage, nominal resistance, air flow above the PTC stone - a very uniform surface temperature on the stone. This prevents overheating, as z. B. could occur with a normal heat-emitting heating wire, since regardless of the boundary conditions always introduced the same resistance and thereby electrical heating becomes. That is, with increasing temperature, the electrical resistance increases proportionally strong.
  • a heat exchanger for a motor vehicle comprises a plurality of parallel tubes and an electric heater, which is arranged in each case between two adjacent tubes.
  • the heat exchanger comprises a plurality of rib elements, which are each arranged between pairs of adjacent tubes and between each heater and the adjacent thereto tubes.
  • Each heating device is in each case equipped with two heating strands which each have at least one PTC element which can be controlled separately and deliver their heat directly or indirectly to the rib elements on two opposite sides of the heating device.
  • the housing of the heating device and arranged therein pressure plates are connected to a power supply.
  • prior art conventional 13V type electrical heaters of the above type are typically designed to be non-contact protected, i.e., non-contact. H. Parts of the auxiliary heater are not potential-free or are at the positive potential. Often the corrugated fins in the heating network of the auxiliary heater are also alternately at a negative and positive potential.
  • the object of the present invention to provide a heat exchanger for motor vehicles for high heat outputs, the construction provides a shock protection.
  • a heat exchanger in particular an electric heater for a motor vehicle, is provided with at least one heating register, which comprises at least one heating element accommodated in a profile, the profile being connected to a heat radiating surface of a heating network of the heat exchanger.
  • the profile is galvanically connected to each element of the heat radiating surface.
  • the heat radiating surface is galvanically connected to a ground potential.
  • each electrically conductive component which can be touched from the outside is either grounded or at the potential of the motor vehicle and becomes a safer one and reliable contact protection for the occupants of the vehicle or for motor vehicle mechanics, wherein an electric shock can be prevented by a contact of the heat exchanger from the outside.
  • an electrical potential d. h
  • the positive potential is inside the heating register.
  • the heat exchanger is potential-free. This also makes it possible to provide effective and reliable protection against contact, by which an electric shock that could be caused by contact of the heat exchanger is prevented.
  • the heat-radiating surface has at least one rib element. It is particularly preferred if the heat-radiating surface has a multiplicity of rib elements.
  • the heating element is connected to a first contact sheet, which is at a positive potential.
  • the at least one rib element is connected to a second contact sheet which is at the negative potential, in particular at the ground potential.
  • the ground potential is the potential of a motor vehicle.
  • the second contact plate is arranged between two rib elements.
  • the profile is arranged between two rib elements.
  • the heating element is made of a PTC ceramic.
  • the heating element is held in a plastic frame in the profile.
  • the plastic frame may consist of one or more parts.
  • the profile is a closed or semi-open profile.
  • a semi-open profile is cheaper due to the material spam.
  • a closed profile offers even better protection - especially with regard to possible contamination.
  • the material of the profile and the material of the corrugated fins are each a good thermal and also good electrically conductive material.
  • the first contact plate is arranged substantially centrally in the heating register, wherein on each side of the first contact plate at least one heating element is arranged.
  • each heating coil has six heating elements, wherein in each case three heating elements are arranged on each side of the first contact element.
  • the entire system of the heat exchanger can be mechanically tensioned be and / or electrically conductively bonded or partially soldered.
  • an epoxy adhesive can be used for electrically conductive bonding.
  • the components of the heat exchanger in particular the at least one heating coil, the at least one profile, the at least one second contact element and the at least one rib member glued or soldered.
  • the components of the heat exchanger in the plastic frame are mechanically tensioned.
  • a spring is arranged in the heating register, which maintains the clamping pressure during operation upright.
  • the heat exchanger is isolated from the environment.
  • FIG. 1A shows the prizipiellen structure of a heat exchanger 1 in the form of an electric heater for a motor vehicle in parts in a perspective view
  • Fig. 1B shows a perspective view of the heat exchanger 1 of Fig. 1A in assembled condition.
  • the heat exchanger 1 according to the embodiment shown here comprises a heating network 2, which has a plurality of rib elements 3 in the form of corrugated fins, which provide a heat-transmitting surface. Between each two rib elements 3, on the one hand, a profile 4 is arranged, in which a heating register 5 can be received, which has a first lying at a positive potential or to the positive pole of a battery or power supply (not shown) connectable contact plate 6 in the form of an electrode.
  • each two further rib elements 3 respective second contact plates 7 are arranged in the form of a further electrode, which are at the potential of the motor vehicle or to ground and serve the current dissipation.
  • the electric heater or the heat exchanger 1 When the electric heater or the heat exchanger 1 is in operation, the current flows from the inside the heating register 5 via heating elements 8 via the profiles 4 and the Rippenelmente 3 via the second contact plates 7, which are all electrically connected from. The voltage drop takes place via the heating elements 8.
  • each heating element 5 each six heating elements 8 are provided, which are each made of a PTC ceramic.
  • each heater 5 is introduced into a corresponding profile 4.
  • the contact pressure of the parts, ie the inner first contact plate 6 on the heating elements 8 and the profile 4 is done either by a spring arranged in the heating coil (see Fig. 7 ) or by gluing z. B. with an epoxy adhesive or by pure mechanical compression.
  • the width B of the heat exchanger 1 may be between 20 to 300 mm and the height H between 40 and 300 mm.
  • Fig. 2A shows a perspective view of another heating network 2 of a heat exchanger 1
  • Fig. 2B shows a side view of the heating network 2 of the heat exchanger 1 of Fig. 2A
  • the number of second contact sheets 7 in the heating network 2 which again essentially consists of a sequence of rib elements 3 and profiles 4 with heating registers 5 accommodated therein, is variable and depends on the power and the current density. Depending on the power and current density can be on some outer second contact plates 7, which are at ground or at the potential of the motor vehicle, are dispensed with. In order to further increase the power density (power / total volume), more heating coils 5, which are accommodated in the profiles 4, can be arranged in the heating network 2. In this embodiment, each recorded in a respective profile 4 heater 5 is applied to a rib member 3. Since the electrical potential is almost equal on the outside, a central outflow of current, which is provided via the outer second contact plate 7, is sufficient.
  • Fig. 3 shows a perspective view of a closed (upper profile in the figure) and a semi-open (lower profile in the figure) profile 4, in each of which a heating register 5 with a first contact plate 6 and heating elements 8 are added.
  • the contact protection is independent of whether a closed or semi-open profile 4 is provided and is ensured in both cases.
  • a closed profile 4 also provides additional protection against contamination.
  • Fig. 4 shows a sectional view of a heating register 5, which is arranged in a profile 4.
  • the first lying on the positive potential contact plate 6 is arranged centrally in the profile 4 and on each of its two opposite sides, each with one or more heating elements 8 - in the embodiment, three heating elements 8 are provided on each side - equipped.
  • the first contact plate 6 is also held in a plastic frame 9.
  • the plastic frame 9 positions the heating elements 8, which are arranged "floating", which means that the thickness of the heating elements 8 is greater than the thickness of the plastic frame 9.
  • the plastic frame 9 positions the first contact plate 6 in the middle, as mentioned above.
  • the plastic frame 9 consists in this embodiment of two elements 10A, 10B. However, it is also possible to construct the plastic frame 9 in one piece.
  • the dimensions of the elements of the heating register 5 are as follows.
  • the thickness of the first contact plate 6 may be between 0.2 to 2 mm; the thickness of the elements 10A, 10B of the plastic frame 9 can be between 0.3 to 4.9 mm; the thickness of the heating elements 8 can be 0.4 to 5 mm; the material thickness of the profile 4 can be between 0.2 to 3 mm; the profile width b of the profile 4 can be between 1.4 to 15 mm; and the overall depth T of the profile 4 can be between 5 to 50 mm.
  • Fig. 5 shows a sectional view of another heater 5 according to another embodiment.
  • the first contact plate 6 is not centrally located in the profile 4 but laterally offset to the center. Heating elements 8 are provided only on one of the two opposite sides of the first contact plate 6.
  • the first contact plate 6 is in this case closer to the profile 4 and therefore must be electrically insulated by a separation area for this purpose.
  • the plastic frame 9 is designed in one piece in this embodiment and at the same time forms the separation area.
  • the separation area can also be designed by an additional film, anodization or the like. Basically, however, that the thinner the separation region is, or the better thermally conductive this is, the better is the heat coupling via the profile 4 on the rib element. 3
  • Fig. 6 shows a sectional view of a heating register 5 according to another embodiment.
  • the second contact plate 7 is not arranged outside of the profile 4 in the heating network 2, but positioned directly within the profile 4, in which also the first contact plate 6 is located.
  • Both electrodes, ie, both the first contact plate 6 and the second contact plate 7 are held in a one-piece plastic frame 9, which also defines a separation area here.
  • the current thus flows only within the heating register 5 and not over the entire heating network 2 in this embodiment.
  • Fig. 7 shows a sectional view of yet another heating register 5.
  • a spring 11 is provided centrally, which maintains the clamping pressure during operation.
  • the spring 11 is z. B. made of plastic and acts electrically insulating.
  • the spring 11 presses the here on each side of the spring 11 arranged first contact plates 6 and the adjoining heating elements 8 outwardly against the wall of the profile 4, which thereby is also pressed outwards against a respective rib member (not shown).

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1), insbesondere einen elektrischen Zuheizer für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Heizregister (5), welches zumindest ein in einem Profil (4) aufgenommenes Heizelement (8) umfasst, wobei das Profil (4) mit einer wärmeabstrahlenden Oberfläche eines Heiznetzes (2) des Wärmeübertragers (1) verbunden ist. Das Profil (4) ist mit jedem Element der wärmeabstrahlenden Oberfläche des Heiznetzes (2) galvanisch verbunden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Verbrauchsoptimierte Fahrzeuge erzeugen immer weniger Abwärme, die für die Aufwärmung des Innenraums zur Verfügung steht. Vor allem in der Startphase und bei geringen Außentemperaturen ist es notwendig, zuzuheizen.
  • Hierzu stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. Die Zuheizung kann beispielsweise über Brennstoffzuheizer, elektrische Zuheizer, Abgas-Wärmeüberträger etc. erfolgen. Von den genannten Möglichkeiten hat sich jedoch die elektrische Zuheizung als besonders sinnvoll erwiesen, da sie kostengünstig, spontan spürbar - das heißt, die elektrische Leistung wird sofort in Wärme umgesetzt - und platzsparend ist. Insbesondere sind elektrische Zuheizer auch leicht in ein Klimagerät und Luftkanäle integrierbar bzw. einbaubar.
  • Für hybridisierte Fahrzeuge oder rein elektrisch betriebene Fahrzeuge ist der Stellenwert der elektrischen Zuheizung noch größer. Hier werden elektrische Leistungen von > 3 kW benötigt, da ein konventioneller Kühlmittelheizkörper nur noch bedingt oder gar nicht mehr vorhanden ist. Bei solchen Fahrzeugen ist die Bordnetzspannung > 50 V, teilweise sogar > 300 V. Aufgrund der hohen geforderten Heizleistungen am Zuheizer wird auch dieser mit der hohen Spannung betrieben, um die Stromstärke möglichst gering zu halten.
  • Im Stand der Technik sind im Wesentlichen zwei Typen von elektrischen Zuheizem bekannt. Bei einem ersten Typ von elektrischen Zuheizem wird die elektrische Leistung direkt in das Kühlmittel geleitet. Es handelt sich hierbei um die sogenannten kühlmittelseitigen Zuheizer. Bei dem zweiten Typ von elektrischen Zuheizem wird die elektrische Leistung an die Luft abgegeben. Hierbei handelt es sich um die sogenannten luftseitigen Zuheizer.
  • Bei dem ersten Typ der kühlmittelseitigen Zuheizer geht jedoch ein Teil der eingebrachten Energie für die Aufheizung des Innenraums verloren. Außerdem ist die Spontanität nicht sehr hoch.
  • Der Anteil der lufseitigen Zuheizer daher immer mehr zu, da die eingebrachte elektrische Leistung sofort spürbar in Wärme umgesetzt wird.
  • Dabei erfolgt die Umwandlung von elektrischer Energie aus dem Bordnetz des Fahrzeugs in Wärme in der Regel in einem PTC-Stein (Positive Temperature Coefficient). Dieser Kaltleiter aus Keramik ist ein sehr stark temperaturabhängiger Halbleiterwiderstand. Das heißt, dass mit zunehmender Temperatur der Widerstand des Keramik-Elements sehr stark zunimmt. Dadurch stellt sich unabhängig von den Randbedingungen - wie z. B. angelegte Spannung, Nominalwiderstand, Luftmenge über dem PTC-Stein - eine sehr gleichmäßige Oberflächentemperatur am Stein ein. Dadurch wird eine Überhitzung verhindert, wie sie z. B. mit einem normalen Wärme abgebenden Heizdraht auftreten könnte, da hier unabhängig von den Randbedingungen immer der gleiche Widerstand und dadurch elektrische Heizleistung eingebracht wird. Das heißt, mit zunehmender Temperatur steigt der elektrische Widerstand proportional stark an.
  • Ein elektrischer Zuheizer, welcher eine derartige PTC-Keramik als Heizelement einsetzt, ist beispielsweise in EP 1 497 594 B1 beschrieben. Ein Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug umfasst dabei mehrere parallele Rohre und eine elektrische Heizeinrichtung, die jeweils zwischen zwei benachbarten Rohren angeordnet ist. Darüber hinaus umfasst der Wärmeübertrager mehrere Rippenelemente, die jeweils zwischen paarweise benachbarten Rohren sowie zwischen jeder Heizeinrichtung und den dazu benachbarten Rohren angeordnet sind. Jede Heizeinrichtung ist jeweils mit zwei Heizsträngen ausgestattet, welche jeweils zumindest ein PTC-Element aufweisen, die separat ansteuerbar sind und ihre Wärme an zwei gegenüberliegenden Seiten der Heizeinrichtung direkt oder indirekt an die Rippenelemente abgeben. Um die Heizstränge mit elektrischem Strom zu versorgen, werden das Gehäuse der Heizeinrichtung und darin angeordnete Anpressplatten an eine Stromversorgung angeschlossen.
  • Konventionelle aus dem Stand der Technik bekannte und auf 13 V ausgelegte elektrische Zuheizer des obigen Typs sind jedoch in der Regel so gestaltet, dass kein Berührungsschutz vorliegt, d. h. Teile des Zuheizers sind nicht potentialfrei bzw. liegen auf dem positiven Potential. Oft liegen die Wellrippen im Heiznetz des Zuheizers auch alternierend auf einem negativen und positiven Potential.
  • Wird ein derartiger aus dem Stand der Technik bekannter elektrischer Zuheizer berührt - direkt oder indirekt - kommt es jedoch zu einem Stromschlag, wobei eine Gefahr nicht nur im Betrieb des Zuheizers sondern auch beim Handling besteht.
  • Da sehr hohe elektrische Leistungen zur Kabinenaufheizung benötigt werden, ist eine Reduzierung der elektrischen Spannung für den Zuheizer nicht sinnvoll, da sonst die Stromstärken und damit die Kabeldicken und Spannungsabfälle zu groß sind.
  • Ein derartiger elektrischer Zuheizer muss jedoch einen sicheren Berührungsschutz aufweisen, so dass eine Gefährdung der Insassen des Fahrzeugs im Betrieb ausgeschlossen wird.
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager für Kraftfahrzeuge für hohe Heizleistungen vorzusehen, dessen Konstruktion einen Berührungsschutz vorsieht.
  • Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Erfindungsgemäß wird ein Wärmeübertrager, insbesondere ein elektrischer Zuheizer für ein Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem Heizregister vorgesehen, welches zumindest ein in einem Profil aufgenommenes Heizelement umfasst, wobei das Profil mit einer wärmeabstrahlenden Oberfläche eines Heiznetzes des Wärmeübertragers verbunden ist. Erfindungsgemäß ist das Profil mit jedem Element der wärmeabstrahlenden Oberfläche galvanisch verbunden. Hierdurch kann ein sicherer Berührungsschutz vorgesehen werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die wärmeabstrahlende Oberfläche mit einem Massepotential galvanisch verbunden. Hierdurch liegt jedes elektrisch leitende und von außen berührbare Bauteil entweder auf Masse bzw. auf dem Potential des Kraftfahrzeugs und es wird ein sicherer und zuverlässiger Berührungsschutz für die Insassen des Fahrzeugs oder für Kraftfahrzeugmonteure vorgesehen, wobei ein Stromschlag durch eine Berührung des Wärmeübertragers von außen verhindert werden kann. Insbesondere durch den direkten Kontakt der Profile und der wärmeübertragenden Oberfläche liegt der gesamte Wärmeübertrager außen auf einem elektrischen Potential, d. h, auf der Masse bzw. auf dem Potential des Kraftfahrzeugs. Das positive Potential befindet sich innerhalb des Heizregisters. Somit ist ein zuverlässiger Berührungsschutz durch die erfindungsgemäße Konfiguration gegeben. Selbst bei einem Fehlaufbau oder dergleichen, z. B. wenn das positive Potential an die Außenseite kommt, kommt es sofort aufgrund eines Kurzschlusses zum Spannungseinbruch oder Abschalten.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist der Wärmeübertrager potentialfrei. Auch hierdurch kann effektiv und zuverlässig ein Berührungsschutz vorgesehen werden, durch welchen ein Stromschlag, der durch eine Berührung des Wärmeübertragers verursacht werden könnte, verhindert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die wärmeabstrahlende Oberfläche zumindest ein Rippenelement auf. Besonders bevorzugt ist es, wenn die wärmeabstrahlende Oberfläche eine Vielzahl von Rippenelementen aufweist.
  • Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement mit einem ersten Kontaktblech verbunden, welches auf einem positiven Potential liegt.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das zumindest eine Rippenelement mit einem zweiten Kontaktblech verbunden ist, welches auf dem negativen Potential, insbesondere auf dem Massepotential liegt. Vorzugsweise ist das Massepotential das Potential eines Kraftfahrzeugs.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Kontaktblech zwischen zwei Rippenelementen angeordnet.
  • Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform ist das Profil zwischen zwei Rippenelementen angeordnet.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Heizelement aus einer PTC-Keramik hergestellt.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Heizelement in einem Kunststoffrahmen in dem Profil gehalten ist. Der Kunststoffrahmen kann aus einem oder mehreren Teilen bestehen.
  • Vorzugsweise ist das Profil ein geschlossenes oder ein halboffenes Profil. Ein halboffenes Profil ist aufgrund der Materialerspamis günstiger. Ein geschlossenes Profil bietet dagegen einen noch besseren Schutz - vor allem hinsichtlich eventueller Verschmutzungen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Material des Profils und das Material der Wellrippen jeweils ein gut thermisch und auch gut elektrisch leitfähiges Material.
  • Vorzugsweise ist in dem Heizregister das erste Kontaktblech im Wesentlichen mittig angeordnet, wobei auf jeder Seite des ersten Kontaktblechs zumindest ein Heizelement angeordnet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist jedes Heizregister sechs Heizelemente auf, wobei auf jeder Seite des ersten Kontaktelements jeweils drei Heizelemente angeordnet sind.
  • Um einen noch besseren elektrischen als auch thermischen Kontakt herzustellen, kann das gesamte System des Wärmeübertragers mechanisch gespannt werden und/oder elektrisch leitend verklebt oder teilweise gelötet werden. Zum elektrisch leitenden Verkleben kann beispielsweise ein Epoxidklebstoff verwendet werden. Vorzugsweise sind die Bauteile des Wärmeübertragers, insbesondere das zumindest eine Heizregister, das zumindest eine Profil, das zumindest eine zweite Kontaktelement und das zumindest eine Rippenelement verklebt oder verlötet.
  • In einer alternativen Ausführungsform sind die Bauteile des Wärmeübertragers in dem Kunststoffrahmen mechanisch gespannt.
  • Vorzugsweise ist darüber hinaus in dem Heizregister eine Feder angeordnet, die den Spanndruck im Betrieb aufrecht hält.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das zweite auf dem negativen Potential liegende Kontaktblech innerhalb des Heizregisters, insbesondere innerhalb des Profils, angeordnet.
  • Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Wärmeübertrager gegen die Umgebung isoliert.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • Fig.1A
    eine perspektivische Ansicht eines Heiznetzes eines Wärmeübertragers in Einzelteilen;
    Fig. 1B
    eine perspektivische Ansicht des Heiznetzes von Fig. 1A in zusammengesetztem Zustand;
    Fig. 2A
    eine perspektivische Ansicht eines Heiznetzes eines Wärmeübertragers;
    Fig. 2B
    eine Seitenansicht des Heiznetzes des Wärmeübertragers von Fig. 2A;
    Fig. 3
    perspektivische Ansicht eines geschlossenen und eines halboffenen Profils;
    Fig. 4
    eine Schnittansicht eines Heizregisters;
    Fig. 5
    eine Schnittansicht eines weiteren Heizregisters;
    Fig. 6
    eine Schnittansicht eines weiteren Heizregisters;
    Fig. 7
    eine Schnittansicht eines weiteren Heizregisters.
  • Fig.1A zeigt den prizipiellen Aufbau eines Wärmeübertragers 1 in Form eines elektrischen Zuheizers für ein Kraftfahrzeug in Einzelteilen in einer perspektivischen Ansicht; Fig. 1B zeigt eine perspektivische Ansicht des Wärmeübertragers 1 von Fig. 1A in zusammengesetztem Zustand. Der Wärmeübertrager 1 gemäß der hier gezeigten Ausführungsform umfasst ein Heiznetz 2, welches eine Vielzahl von Rippenelementen 3 in Form von Wellrippen aufweist, die eine wärmeübertragende Oberfläche vorsehen. Zwischen jeweils zwei Rippenelementen 3 ist einerseits ein Profil 4 angeordnet, in welchem ein Heizregister 5 aufnehmbar ist, welches ein erstes auf einem positiven Potential liegendes bzw. an den Pluspol einer Batterie oder Spannungsversorgung (nicht gezeigt) anschließbares Kontaktblech 6 in Form einer Elektrode aufweist. Andererseits sind zwischen jeweils zwei weiteren Rippenelementen 3 jeweilige zweite Kontaktbleche 7 in Form einer weiteren Elektrode angeordnet, welche auf dem Potential des Kraftfahrzeugs bzw. auf Masse liegen und der Stromableitung dienen. Wenn der elektrische Zuheizer bzw. der Wärmeübertrager 1 in Betrieb ist, fließt der Strom von der Innenseite des Heizregisters 5 über Heizelemente 8 über die Profile 4 und die Rippenelmente 3 über die zweiten Kontaktbleche 7, die alle elektrisch verbunden sind, ab. Der Spannungsabfall erfolgt über den Heizelementen 8. In dieser Ausführungsform sind pro Heizregister 5 jeweils sechs Heizelemente 8 vorgesehen, welche jeweils aus einer PTC-Keramik hergestellt sind.
  • Beim Zusammenbau des Wärmeübertragers 1 wird jedes Heizregister 5 in ein entsprechendes Profil 4 eingebracht. Die Anpressung der Teile, d. h. des inneren ersten Kontaktblechs 6 auf die Heizelemente 8 und auf das Profil 4 geschieht entweder durch eine im Heizregister angeordnete Feder (siehe Fig. 7) oder durch Verkleben z. B. mit einem Epoxidkleber oder auch durch reine mechanische Verpressung.
  • Die Breite B des Wärmeübertragers 1 kann zwischen 20 bis 300 mm und die Höhe H zwischen 40 und 300 mm betragen.
  • Fig. 2A zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Heiznetzes 2 eines Wärmeübertragers 1 und Fig. 2B zeigt eine Seitenansicht des Heiznetzes 2 des Wärmeübertragers 1 von Fig. 2A. Die Anzahl der zweiten Kontaktbleche 7 in dem Heiznetz 2, welches hier wiederum im Wesentlichen aus einer Abfolge von Rippenelementen 3 und Profilen 4 mit darin aufgenommenen Heizregistern 5 besteht, ist variabel und hängt von der Leistung und der Stromdichte ab. Je nach Leistung und Stromdichte kann dabei auf einige äußere zweite Kontaktbleche 7, welche auf Masse bzw. auf dem Potential des Kraftfahrzeugs liegen, verzichtet werden. Um die Leistungsdichte (Leistung/Gesamtvolumen) weiter zu steigern, können im Heiznetz 2 mehr Heizregister 5, weiche in den Profilen 4 aufgenommen sind, angeordnet werden. In dieser Ausführungsform liegt jedes in einem jeweiligen Profil 4 aufgenommene Heizregister 5 an einem Rippenelement 3 an. Da das elektrische Potential außen nahezu gleich ist, reicht ein zentraler Stromabfluss, der über das äußere zweite Kontaktblech 7 vorgesehen wird, aus.
  • Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines geschlossenen (oberes Profil in der Figur) und eines halboffenen (unteres Profil in der Figur) Profils 4, in welchem jeweils ein Heizregister 5 mit einem ersten Kontaktblech 6 und Heizelementen 8 aufgenommen sind. Der Berührungsschutz ist jedoch unabhängig davon, ob ein geschlossenes oder halboffenes Profil 4 vorgesehen wird und wird in beiden Fällen sichergestellt. Ein geschlossenes Profil 4 bietet auch zusätzlichen Schutz gegenüber Verschmutzung.
  • Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines Heizregisters 5, welches in einem Profil 4 angeordnet ist. Das erste auf dem positiven Potential liegende Kontaktblech 6 ist mittig in dem Profil 4 angeordnet und auf jeder seiner zwei gegenüberliegenden Seiten mit jeweils einem oder mehreren Heizelementen 8 - in der Ausführungsform sind auf jeder Seite jeweils drei Heizelemente 8 vorgesehen - bestückt. Das erste Kontaktblech 6 wird darüber hinaus in einem Kunststoffrahmen 9 gehalten. Der Kunststoffrahmen 9 positioniert die Heizelemente 8, die "schwimmend" angeordnet sind, was bedeutet, dass die Dicke der Heizelemente 8 größer als die Dicke des Kunststoffrahmens 9 ist. Ebenso positioniert der Kunststoffrahmen 9 das erste Kontaktblech 6 in der Mitte, wie oben erwähnt. Der Kunststoffrahmen 9 besteht in dieser Ausführungsform aus zwei Elementen 10A, 10B. Es ist jedoch auch möglich, den Kunststoffrahmen 9 einteilig zu konstruieren. Die Abmessungen der Elemente des Heizregisters 5 sind wie folgt. Die Dicke des ersten Kontaktblechs 6 kann zwischen 0,2 bis 2 mm liegen; die Dicke der Elemente 10A, 10B des Kunststoffrahmens 9 kann zwischen 0,3 bis 4,9 mm liegen; die Dicke der Heizelemente 8 kann 0,4 bis 5 mm liegen; die Materialdicke des Profils 4 kann zwischen 0,2 bis 3 mm liegen; die Profilbreite b des Profils 4 kann zwischen 1,4 bis 15 mm liegen; und die Bautiefe T des Profils 4 kann zwischen 5 bis 50 mm liegen.
  • Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren Heizregisters 5 gemäß einer anderen Ausführungsform. Hier ist das erste Kontaktblech 6 nicht mittig in dem Profil 4 angeordnet sondern seitlich zur Mitte versetzt. Heizelemente 8 sind nur auf einer der beiden gegenüberliegenden Seiten des ersten Kontaktblechs 6 vorgesehen. Das erste Kontaktblech 6 liegt hierbei jedoch näher am Profil 4 und muss deswegen durch einen Trennbereich hierzu elektrisch isoliert werden. Der Kunststoffrahmen 9 ist in dieser Ausführungsform einteilig ausgestaltet und bildet gleichzeitig den Trennbereich. Der Trennbereich kann aber auch durch eine zusätzliche Folie, eine Anodisierung oder dergleichen gestaltet werden. Grundsätzlich gilt jedoch, dass umso dünner der Trennbereich ist, bzw. umso besser wärmeleitfähig dieser ist, desto besser ist die Wärmeankopplung über das Profil 4 auf das Rippenelement 3.
  • Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht eines Heizregisters 5 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist dabei das zweite Kontaktblech 7 nicht außerhalb des Profils 4 in dem Heiznetz 2 angeordnet, sondern direkt innerhalb des Profils 4 positioniert, in welchem sich auch das erste Kontaktblech 6 befindet. Beide Elektroden, d. h. sowohl das erste Kontaktblech 6 als auch das zweite Kontaktblech 7, sind in einem einteiligen Kunststoffrahmen 9 gehalten, der auch hier einen Trennbereich definiert. Beim Betrieb des Wärmeübertragers 1 fließt in dieser Ausführungsform der Strom also nur innerhalb des Heizregisters 5 und nicht über das gesamte Heiznetz 2.
  • Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht noch eines weiteren Heizregisters 5. In dem Profils 4 ist mittig eine Feder 11 vorgesehen, die den Spanndruck im Betrieb aufrechterhält. Die Feder 11 ist z. B. aus Kunststoff hergestellt und wirkt elektrisch isolierend. Die Feder 11 drückt die hier auf jeder Seite der Feder 11 angeordneten ersten Kontaktbleche 6 und die sich daran anschließenden Heizelemente 8 nach außen gegen die Wand des Profils 4, welche dadurch ebenfalls nach außen gegen ein jeweiliges Rippenelement (nicht dargestellt) gedrückt wird.
  • Insgesamt betrachtet kann mit dem so ausgestalteten Wärmeübertrager 1 ein elektrischer Zuheizer für Hochspannungsausführungen mit zuverlässigem Berührungsschutz bereitgestellt werden, der zudem eine hohe Leistungsdichte und Flexibilität durch die Möglichkeit der Vorfertigung der einzelnen Komponenten bietet.

Claims (15)

  1. Wärmeübertrager (1), insbesondere elektrischer Zuheizer für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem Heizregister (5), welches zumindest ein in einem Profil (4) aufgenommenes Heizelement (8) umfasst, wobei das Profil (4) mit einer wärmeabstrahlenden Oberfläche eines Heiznetzes (2) des Wärmeübertragers (1) verbunden ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Profil (4) mit jedem Element der wärmeabstrahlenden Oberfläche des Heiznetzes (2) galvanisch verbunden ist.
  2. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wärmeabstrahlende Oberfläche mit einem Massepotential galvanisch verbunden ist.
  3. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wärmeübertrager (1) potentialfrei ist.
  4. Wärmeübertrager (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die wärmeabstrahlende Oberfläche zumindest ein Rippenelement (3) aufweist.
  5. Wärmeübertrager (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Heizelement (8) mit einem ersten Kontaktblech (6) verbunden ist, welches auf einem positiven Potential liegt.
  6. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zumindest eine Rippenelement (3) mit einem zweiten Kontaktblech (7) verbunden ist, welches auf dem negativen Potential, insbesondere auf dem Massepotential liegt.
  7. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Heizelement (8) und das erste Kontaktblech (6) in einem Kunststoffrahmen (9) in dem Profil (4) gehalten sind.
  8. Wärmeübertrager (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Profil (4) ein geschlossenes oder ein halboffenes Profil ist.
  9. Wärmeübertrager (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Material des Profils (4) und das Material der Rippenelemente (3) jeweils ein gut thermisch und elektrisch leitfähiges Material ist.
  10. Wärmeübertrager (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem Heizregister (4) das erste Kontaktblech (6) im Wesentlichen mittig angeordnet ist, wobei auf jeder Seite des ersten Kontaktblechs (6) zumindest ein Heizelement (8) angeordnet ist.
  11. Wärmeübertrager (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Bauteile des Wärmeübertragers (1), insbesondere das zumindest eine Heizregister (5), das zumindest eine Profil (4), das zumindest eine zweite Kontaktelement (7) und das zumindest eine Rippenelement (3) elektrisch leitend verklebt oder verlötet sind.
  12. Wärmeübertrager (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Bauteile des Wärmeübertragers (1) in dem Kunststoffrahmen (9) mechanisch gespannt sind.
  13. Wärmeübertrager (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in dem Heizregister (5) eine Feder (11) angeordnet ist.
  14. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 6 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zweite auf dem negativen Potential liegende Kontaktblech (7) innerhalb des Heizregisters (5), insbesondere innerhalb des Profils (4), angeordnet ist.
  15. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wärmeübertrager (1) gegen seine Umgebung isoliert ist.
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