EP4337897B1

EP4337897B1 - Heizeinrichtung und verfahren zur herstellung einer heizeinrichtung

Info

Publication number: EP4337897B1
Application number: EP22728876.8A
Authority: EP
Inventors: Susanne LUZ; Ulrich Lerche; Elmar Mangold
Original assignee: Stego Holding GmbH
Current assignee: Stego Holding GmbH
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2022-05-12
Publication date: 2026-04-01
Anticipated expiration: 2042-05-12
Also published as: CN117545967A; EP4337897A1; DE102021112603A1; US20240255183A1; AU2022273993A1; WO2022238538A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Heizeinrichtung. Eine Heizeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus DE 10 2006 018 150 bekannt.
Aus US 2005/0230377 A1 ist eine Zusatzheizung für ein Kraftfahrzeug bekannt.
Die Heizung weist ein Gehäuse aus Kunststoff auf, in dem ein Schichtaufbau aus Radiatorelementen und wärmeabgebenden Elementen aufgenommen ist. Dieser Schichtaufbau wird durch ein Federelement unter Vorspannung gehalten.
DE 10 2018 206 085 A1 betrifft eine ähnliche elektrische Heizvorrichtung mit einem offenen Gehäuse in dem ein Schichtaufbau aufgenommen ist, wobei ein Federelement verschieblich in dem Gehäuse aufgenommen ist und mehrere in Verschieberichtung versetzt zueinander vorgesehene Federzungen aufweist.
DE 39 42 266 C1 offenbart einen PTC-Heizkörper mit einem Trägerprofilkörper und einem PTC-Heizelement, das zwischen zwei Kontaktplatten angeordnet ist. Eine Blattfeder wird an Rillen des Trägerprofilkörpers derart angeordnet, dass ein Anpressdruck auf die obere Wand des Profilkörpers aufgebracht wird.
EP 0 333 906 A1 beschreibt eine ähnliche Vorrichtung, wobei eine Deckplatte und zusätzlich oberhalb von der Deckplatte ein Federblech in Halteschienen des Trägerprofilkörpers eingeschoben werden, wobei das Federblech im mittleren Flächenabschnitt ausgebaucht ist und im eingeschobenen Zustand auf den mittleren Flächenabschnitt der Deckplatte drückt und hierdurch der erforderliche Wärmekontakt zwischen dem Trägerprofilkörper und der Deckplatte einerseits und dem PTC-Heizelement andererseits gewährleistet wird.
In Schaltschränken oder in Kleingehäusen, dazu zählen beispielsweise auch Kameragehäuse oder Gehäuse von Ventileinrichtungen, verursachen Temperaturwechsel die Bildung von Kondenswasser, das zusammen mit Staub und aggressiven Gasen Korrosion verursachen kann. Dadurch steigt das Risiko von Betriebsausfällen durch Kriechströme oder Überschläge. Um gleichbleibend optimale Klimabedingungen für eine einwandfreie Funktion der im Schaltschrank oder dem Kleingehäuse befindlichen Komponenten sicherzustellen, werden deshalb Heizgeräte bzw. Heizlüfter, insbesondere PTC-Halbleiterheizungen eingesetzt, an deren Zuverlässigkeit und Langlebigkeit hohe Anforderungen gestellt werden.
Derartige Heizgeräte sind üblicherweise mit elektrischen Heizelementen ausgerüstet. Die Halterung dieser Heizelemente soll einerseits einen guten Wärmeübergang und andererseits eine gleichbleibende sichere Fixierung ermöglichen. Die häufigen und je nach Betriebsbedingungen großen Temperaturwechsel können zu Materialermüdung durch Alterung und damit zu einer Verringerung der Haltekraft führen, mit der die Heizelemente fixiert sind. Dadurch wird der Wärmeübergang verschlechtert. Wenn die Haltefunktion ganz entfällt, kann es sogar zu einem Totalausfall des Gerätes kommen.
Bei der eingangs genannten DE 10 2006 018 150 oder DE 39 42 266 C1 sind beispielsweise Heizelemente in einem Wärmetauscherkörper angeordnet. Der Wärmetauscherkörper ist derart plastisch verformt, dass die Heizelemente darin gehalten werden. Der Wärmetauscherkörper umschließt dabei den Aufnahmehohlraum für die Heizelemente.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Heizeinrichtung anzugeben, bei der durch einen verbesserten konstruktiven Aufbau eine Heizleistung und Betriebssicherheit erhöht sind sowie die Herstellung vereinfacht ist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren zur Herstellung einer Heizeinrichtung anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf die Heizeinrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die vorstehend genannte Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 8 gelöst.
Konkret wird diese Aufgabe durch eine Heizeinrichtung mit wenigstens einem Heizelement, insbesondere wenigstens einem PTC-Element, wenigstens zwei Stromzufuhreinrichtungen und einem Wärmetauscherkörper gelöst. Der Wärmetauscherkörper weist eine Außenoberfläche zur Abgabe von Wärme an eine Umgebung und einen Aufnahmehohlraum zur Aufnahme des Heizelements auf. Das Heizelement ist in dem Aufnahmehohlraum angeordnet und mit dem Wärmetauscherkörper wärmeleitend verbunden. Zusätzlich ist wenigstens ein Federelement vorgesehen, das sich an wenigstens einem Abstützbereich des Wärmetauscherkörpers abstützt und eine Spannkraft in Richtung des Heizelements derart über wenigstens ein Anpressteil aufbringt, dass das Heizelement gegen die Stromzufuhreinrichtungen und eine Basis, insbesondere einen Kühlkörper, des Wärmetauscherkörpers gepresst ist.
Das Heizelement ist zwischen den beiden Stromzufuhreinrichtungen zur Bildung eines Sandwichpakets angeordnet. Mit anderen Worten sind das Heizelement und die Stromzufuhreinrichtungen miteinander schichtweise angeordnet, wobei das Heizelement dazwischenliegend ist. Dies hat den Vorteil, dass bei der Herstellung der Heizeinrichtung die einzelnen Schichten in den Aufnahmehohlraum des Wärmetauscherkörpers einfach einsetzbar sind. Alternativ ist es möglich, das Sandwichpaket vor dem Einsetzen in den Aufnahmehohlraum vorzumontieren und anschließend in diesen einzusetzen. Generell ist durch den sandwichartigen Aufbau die Herstellung der Heizeinrichtung vereinfacht.
Das Federelement liegt an einer dem Aufnahmehohlraum zugewandten Innenseite des Abstützbereichs an und verspannt das Heizelement und/oder die Stromzufuhreinrichtungen gegen die Basis, insbesondere den Kühlkörper, des Wärmetauscherkörpers. Dadurch wird ein sicherer Halt des Heizelements bzw. des Sandwichpakets in dem Aufnahmehohlraum des Wärmetauscherkörpers erreicht.
Die Erfindung hat verschiedene Vorteile. Durch die Spannkraft des Federelements wird das Heizelement an die Stromzufuhrleitungen und die Basis des Wärmetauscherkörpers selbst im Falle einer Materialermüdung des Wärmetauscherkörpers, insbesondere im Bereich des Abstützbereichs, sicher gepresst. Das Federelement stützt sich dabei an dem Abstützbereich ab. Mit anderen Worten liegt das Federelement zur Abstützung an dem Abstützbereich an. Das Federelement ist daher ein zu dem Wärmetauscherkörper gesondertes Element. Mit anderen Worten ist das Federelement von dem Wärmetauscherkörper baulich getrennt. Der Abstützbereich bildet für das Federelement ein Widerlager, um das Heizelement bzw. die Stromzufuhreinrichtungen mit der Spannkraft zu beaufschlagen. Diese werden mit der Spannkraft des Federelements gegen die Basis des Wärmetauscherkörpers gepresst. Die Spannkraft des Federelements wirkt somit in entgegengesetzter Richtung zum Abstützbereich des Wärmetauscherkörpers zu dem Heizelement hin. Bevorzugt ist das Heizelement durch das Federelement gegen die Stromzufuhreinrichtungen und die Basis des Wärmetauscherkörpers elastisch, insbesondere federnd, gepresst.
Ferner ist die Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung erhöht, da das Federelement beispielsweise aufgrund von Materialermüdung auftretende Toleranzen ausgleicht und somit ein Lösen des Kontakts zwischen dem Heizelement und den Stromzufuhreinrichtungen selbst bei erhöhten Ermüdungserscheinungen verhindert. Das Risiko eines Ausfalls der Heizeinrichtung ist dadurch erheblich verringert.
Generell kann eine Materialermüdung des Wärmetauscherkörpers, insbesondere im Abstützbereich, aufgrund von häufigen und/oder großen Temperaturwechseln auftreten und damit zu einer Verringerung der Anpresskraft führen, mit der das Heizelement fixiert ist. Durch die Spannkraft des Federelements wird dies bei der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung verhindert.
Die Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass durch entsprechende Auslegung des Federelements die Spannkraft in Richtung des Heizelements und somit die Anpresskraft zwischen dem Heizelement und den Stromzufuhreinrichtungen sowie der Basis des Wärmetauscherkörpers anforderungsspezifisch einstellbar ist. Mit anderen Worten ermöglicht der Einsatz des Federelements unterschiedliche Konfigurationen der Heizeinrichtung. Die Heizeinrichtung ist daher vielseitig einsetzbar.
Durch das Federelement steht das Heizelement über die Lebensdauer der Heizeinrichtung mit einer gleichbleibenden Anpresskraft mit den Stromzufuhreinrichtungen in Kontakt bzw. wird das Heizelement mit einer konstanten Anpresskraft gegen die Basis des Wärmetauscherkörpers gepresst. Dadurch weist die Heizeinrichtung eine konstante Heizleistung auf, wodurch die Umgebung der Heizeinrichtung gleichmäßig sowie kontrolliert temperierbar ist.
Das Heizelement ist bevorzugt ein PTC-Element. PTC steht für "Positive Temperature Coefficient" und bedeutet, dass das Heizelement in dieser Ausführung einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Das PTC-Element kann als temperaturabhängiges Widerstandselement bezeichnet werden.
Das Heizelement ist bevorzugt durch wenigstens eine der Stromzufuhreinrichtungen gegen die Basis des Wärmetauscherkörpers indirekt gepresst. Mit anderen Worten ist vorzugsweise wenigstens eine der Stromzufuhreinrichtungen zwischen dem Heizelement und der Basis des Wärmetauscherkörpers angeordnet. Es besteht somit kein direkter Kontakt zwischen dem Heizelement und der Basis des Wärmetauscherkörpers. Die Basis bildet bevorzugt einen Kühlkörper zur Temperaturregulierung des Wärmetauscherkörpers.
Das Federelement wird in und/oder an dem Wärmetauscherkörper, insbesondere in Richtung des Heizelements, vorgespannt angeordnet. Das Federelement ist mit dem Heizelement mittelbar, das heißt indirekt verbunden.
Der Abstützbereich kann wenigstens eine Anlagefläche für das Federelement aufweisen. Der Abstützbereich ist durch eine Biegelasche gebildet, die sich ausgehend von wenigstens einer Seitenwand des Wärmetauscherkörpers zur Mitte des Wärmetauscherkörpers hin erstreckt und entlang einer Längsrichtung der Seitenwand verläuft. Die Heizeinrichtung weist somit eine Längserstreckung auf, dessen Längsrichtung parallel dazu verläuft.
Das Federelement liegt bevorzugt zumindest abschnittsweise an dem Abstützbereich an. Dazu kann das Federelement einen seitlichen, insbesondere länglichen Kontaktabschnitt aufweisen. Das Federelement kann mit dem Abstützbereich zur Abstützung in Linienkontakt und/oder Punktkontakt und/oder Flächenkontakt stehen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorzugsweise ist das Heizelement plattenförmig ausgebildet. Die Stromzufuhreinrichtungen weisen bevorzugt wenigstens einen plattenförmigen Abschnitt auf, der mit dem Heizelement in Kontakt steht.
Bevorzugt verspannt das Federelement das Heizelement und die Stromzufuhreinrichtungen gegen die Basis des Wärmetauscherkörpers. Mit anderen Worten verspannt das Federelement das Sandwichpaket gegen die Basis des Wärmetauscherkörpers. Die Spannkraft des Federelements wirkt somit indirekt auf die Basis des Wärmetauscherkörpers. Die Innenseite des Abstützbereichs ist dem Heizelement zugewandt, sodass das Federelement die Spannkraft in Richtung des Heizelements aufbringt. Somit ist die Innenseite des Abstützbereichs auch der Basis des Wärmetauscherkörpers zugewandt. Die Basis des Wärmetauscherkörpers begrenzt den Aufnahmehohlraum bodenseitig. Weiter bevorzugt weist die Basis wenigstens einen Montagebereich zur Befestigung der Heizeinrichtung an einem Gegenstück, insbesondere einer externen Haltereinrichtung auf.
Zusammenfassend weist der Wärmetauscherkörper bevorzugt zwei Seitenwände zur seitlichen Begrenzung des Aufnahmehohlraums und die Basis zur bodenseitigen Begrenzung des Aufnahmehohlraums auf. Auf einer der Basis gegenüberliegenden Seite ist der Wärmetauscherkörper zur Aufnahme des Federelements vorzugsweise nach außen offen ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist der Abstützbereich durch eine Lasche gebildet, die sich ausgehend von wenigstens einer Seitenwand des Wärmetauscherkörpers zur Mitte des Wärmetauscherkörpers hin erstreckt und entlang einer Längsrichtung der Seitenwand verläuft. Hierbei bildet die Lasche das Widerlager für das Federelement. Die Laschen bilden beidseitige Abstützbereiche, die das Federelement in dem Aufnahmehohlraum positionsfest halten. Durch die Laschen wird also das Federelement und somit das Sandwichpaket in dem Aufnahmehohlraum sicher gehalten.
Die Laschen sind Biegelaschen. Mit anderen Worten sind die Laschen bei der Herstellung durch Biegen, insbesondere mittels "Caulk Technology", zur Mitte des Wärmetauscherkörpers gerichtet. Die Lasche kann sich in Längsrichtung der Heizeinrichtung zumindest abschnittsweise erstrecken. Die Lasche kann durchgängig ausgebildet sein. Alternativ kann die Lasche abschnittsweise unterbrochen ausgebildet sein.
Wenigstens ein Anpressteil wird zwischen dem Federelement und einer der Stromzufuhreinrichtungen angeordnet, um die Spannkraft von dem Federelement auf das Heizelement und zumindest eine der Stromzufuhreinrichtungen zu übertragen.
Das Federelement beaufschlagt bevorzugt das Heizelement und/oder zumindest eine der Stromzufuhreinrichtungen mit der Spannkraft quer zur Anpressfläche. Mit anderen Worten verläuft die Wirklinie der Spannkraft normal zur wenigstens einen Anpressfläche des Heizelements und/oder der Stromzufuhreinrichtungen. Besonders bevorzugt beaufschlagt das Federelement das Heizelement und beide Stromzufuhreinrichtungen mit der Spannkraft quer zur Anpressfläche. Hierbei wird die Spannkraft möglichst effizient in das Heizelement bzw. die Stromzufuhreinrichtungen eingeleitet, sodass eine erhöhte Heizleistung daraus resultiert.
Vorzugsweise weist der Wärmetauscherkörper zwei gegenüber angeordnete Seitenwände auf, an denen jeweils der Abstützbereich für das Federelement ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist der Wärmetauscherkörper zwei gegenüber angeordnete Abstützbereiche auf, gegen die sich das Federelement abstützt. Die Seitenwände begrenzen den Aufnahmehohlraum seitlich. Bei dieser Ausführungsform liegt das Federelement an zwei Abstützbereichen des Wärmetauscherkörpers an. Dadurch wird ein stabiler Abstützkontakt zwischen dem Federelement und dem Wärmetauscherkörper erreicht und die Abstützkraft des Federelements, die der Spannkraft entspricht, auf zwei Abstützpunkte verteilt.
Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Anpressteil zwischen dem Federelement und einer der Stromzufuhreinrichtungen angeordnet. Das Anpressteil überträgt bevorzugt die Spannkraft von dem Federelement auf das Heizelement und/oder auf zumindest eine der Stromzufuhreinrichtungen, auf das Sandwichpaket. Das Anpressteil dient als Kraftübertragungselement, um die Spannkraft schonend und gleichmäßig verteilt, insbesondere flächig, auf die angrenzende Stromzufuhreinrichtung zu übertragen. Dadurch wird die Lebensdauer der Heizeinrichtung erhöht.
Das Anpressteil weist eine in einem dem Federelement zugewandten Bereich eine konkave Form auf, an dem das Federelement anliegt. Dadurch nimmt das Anpressteil die Federkraft bzw. die Spannkraft des Federelements verbessert auf. Das Anpressteil kann als Vollmaterial ausgebildet sein. Alternativ kann das Anpressteil als Strukturteil mit Hohlräumen ausgebildet sein. Bevorzugt ist das Anpressteil aus Aluminium gebildet.
Erfindungsgemäß ist das Federelement im Querschnitt bogenförmig mit einer konvexen Form ausgebildet. Das Federelement weist einen Scheitelpunktbereich auf, der dem Heizelement zur Übertragung der Spannkraft zugewandt ist. Durch die konvexe Form des Federelements wird die Spannkraft über den Scheitelpunktbereich besonders gezielt an das angrenzende Anpressteil übertragen. Des Weiteren lässt sich dadurch das Federelement auf einfache Weise gegen das angrenzende Anpressteil vorspannen, nämlich in dem die Laschen nach dem Einlegen des Federelements in den Aufnahmehohlraum nach innen, d.h. zur Mitte hin gebogen werden. Dadurch wird das Federelement elastisch verformt.
Erfindungsgemäß ist das Federelement eine Blattfeder. Zusätzlich oder alternativ umfasst die jeweilige Stromzufuhreinrichtung eine Elektrode. Die Elektrode kann eine Aluminium-Elektrode sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Wärmetauscherkörper aus Aluminium bestehen. Hier ist von Vorteil, dass die Komponenten kostengünstig in der Herstellung sind und somit die Gesamtkosten der Heizeinrichtung reduzieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Aufnahmehohlraum stirnseitig durch wenigstens einen Deckel, insbesondere aus Kunststoff, verschlossen. Der Deckel greift dabei vorzugsweise zumindest abschnittsweise in eine Innenkontur des Wärmetauscherkörpers formschlüssig ein. Bevorzugt sind beide Stirnseiten des Aufnahmehohlraums durch einen Deckel formschlüssig, insbesondere selbstklemmend verschlossen. Die Innenkontur des Wärmetauscherkörpers kann mehrere runde Ausnehmungen aufweisen, in die der Deckel eingreift. Dazu weist der Deckel vorzugsweise Mehrkantfortsätze auf, die in Linien- bzw. Punktkontakt mit der jeweiligen Ausnehmung stehen. Hierbei ist vorteilhaft, dass zusätzlichen Befestigungsmittel, wie zum Beispiel Schrauben, Klemmvorrichtungen etc., entfallen können. Ferner bilden die in die runden Ausnehmungen gefügten Mehrkantfortsätze des Deckels eine stabile und feste Einmalverbindung des Deckels mit dem Wärmetauscherkörper. Bei der Verbindung werden die Mehrkantfortsätze des Deckels in die runden Ausnehmungen gepresst, wobei eine Pressverbindung entsteht. Zwischen den Mehrkantfortsätzen und den runden Ausnehmungen liegen erhöhte Reibwerte vor. Des Weiteren werden hierbei etwaig bestehende Toleranzen ausgeglichen.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Isoliereinrichtung zwischen dem Wärmetauscherkörper und dem Sandwichpaket angeordnet. Bevorzugt ist das Sandwichpaket mit einer Isolierfolie zumindest teilweise, insbesondere vollständig ummantelt.
Nach dem nebengeordneten Anspruch 8 betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung, bei dem

wenigstens ein Heizelement, wenigstens zwei Stromzufuhreinrichtungen und ein Wärmetauscherkörper mit einem Aufnahmehohlraum bereitgestellt werden;
das Heizelement zwischen den beiden Stromzufuhreinrichtungen zur Bildung eines Sandwichpakets angeordnet wird, das anschließend mit einer Isolierfolie ummantelt wird;
das Sandwichpaket in den Aufnahmehohlraum derart eingebracht wird, dass das Heizelement mit dem Wärmetauscherkörper wärmeleitend in Verbindung steht;
wenigstens ein Federelement, in Form einer Blattfeder, in den Aufnahmehohlraum eingelegt wird, wobei die Blattfeder eine konvexe Form aufweist;
wenigstens ein Anpressteil zwischen dem Federelement und einer der Stromfuhreinrichtungen angeordnet ist, wobei das Anpressteil in einem der Blattfeder zugewandten Bereich eine konkave Form umfasst, und
wenigstens ein Abstützbereich des Wärmetauschers, in Form einer Lasche zur Vorspannung des Federelements derart plastisch verformt, insbesondere umgebogen, wird, dass das Federelement über das Anpressteil eine Spannkraft in Richtung des Heizelements aufbringt und das Heizelement gegen die beiden Stromzufuhreinrichtungen und eine Basis, insbesondere einen Kühlkörper, des Wärmetauscherkörpers presst.

Durch die plastische Verformung des Wärmetauscherkörpers, konkret des Abstützbereichs ist vorteilhaft die Spannkraft des Federelements einstellbar. Die Spannkraft des Federelements ist abhängig von dem Grad der plastischen Verformung, insbesondere dem Biegewinkel des Abstützbereichs nach dem Biegen. Ferner hat die plastische Verformung den Vorteil, dass ein Toleranzausgleich zwischen dem Federelement und dem Wärmetauscherkörper sowie einem Anpressteil ermöglicht wird. Zusätzlich wird eine störkantenfreie Montage sowie eine erhöhte Wölbung des Federelements ermöglicht, was eine verbesserte Spannung des Federelements und somit eine erhöhte Wärmeleistung zur Folge hat.
Zu den Vorteilen des Verfahrens zur Herstellung einer Heizeinrichtung wird auf die im Zusammenhang mit der Heizeinrichtung erläuterten Vorteile verwiesen. Darüber hinaus kann das Verfahren alternativ oder zusätzlich einzelne oder eine Kombination mehrerer zuvor in Bezug auf die Heizeinrichtung genannte Merkmale aufweisen.
Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die dargestellten Ausführungsformen stellen Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Heizeinrichtung ausgestaltet sein können.
In diesen zeigen,

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht einer Heizeinrichtung nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
Fig. 2: einen Querschnitt durch die Heizeinrichtung nach Fig. 1; und
Fig. 3: einen Längsschnitt durch die Heizeinrichtung nach Fig. 1.

Im Folgenden werden für gleiche und gleich wirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Fig. 1 zeigt eine Heizeinrichtung 10 nach einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Die Heizeinrichtung 10 weist ein Heizelement 11, zwei Stromzufuhreinrichtungen 12 und einen Wärmetauscherkörper 13 auf. Ferner ist ein Federelement 16 vorgesehen, das eine Spannkraft in Richtung des Heizelements 11 aufbringt und so einen Presskontakt zwischen dem Heizelement 11 und den beiden Stromzufuhreinrichtungen 12 sicherstellt. Auf das Federelement 16 wird später näher eingegangen.
Der Wärmetauscherkörper 13 umfasst eine Außenoberfläche 14 mit Längsrippen und einen Aufnahmehohlraum 15. Die Außenoberfläche 14 dient zur Abgabe von Wärme an die Umgebung. Der Wärmetauscherkörper 13 ist mit dem Heizelement 11 zum Wärmeübergang wärmeleitend verbunden. Der Aufnahmehohlraum 15 nimmt das Heizelement 11 auf. Des Weiteren sind in dem Aufnahmehohlraum 15 die Stromzufuhreinrichtungen 12 teilweise angeordnet. Dies ist in den Fig. 2 und 3 gut zu erkennen. Auf die Stromzufuhreinrichtungen 12 wird später näher eingegangen.
Der Wärmetauscherkörper 13 weist eine Basis 22 und zwei gegenüber angeordnete Seitenwände 23 auf. Die Seitenwände 23 sind von der Basis 22 abstehend ausgebildet. Die Seitenwände 23 begrenzen den Aufnahmehohlraum 15 seitlich und die Basis 22 begrenzt den Aufnahmehohlraum 15 bodenseitig. Zusammen bilden die Seitenwände 23 und die Basis 22 ein U-förmiges Profil. Der Aufnahmehohlraum 15 ist somit nach drei Seiten hin begrenzt. Des Weiteren ist der Aufnahmehohlraum 15 auf einer der Basis 22 gegenüberliegenden Seite 34 des Wärmetauscherkörpers 13 nach außen offen ausgebildet. Die Seitenwände 23 weisen jeweils ein freies Ende 35 auf. Die freien Enden 35 der Seitenwände 23 befinden sich auf der gegenüberliegenden Seite 34.
Der Wärmetauscherkörper 13 ist ein Strangpressprofil. Die Seitenwände 23 und die Basis 22 sind einstückig miteinander ausgebildet.
In Fig. 1 und 3 ist ersichtlich, dass der Wärmetauscherkörper 13 länglich ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist der Wärmetauscherkörper 13 eine Längserstreckung auf. Der Wärmetauscherkörper 13 weist eine Längsachse L auf, die zentral zwischen den beiden Seitenwänden 23 in Längsrichtung des Wärmetauscherkörpers 13 verläuft.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, sind das Heizelement 11 und die Stromzufuhreinrichtungen 12 in dem Aufnahmehohlraum 15 angeordnet. Die Stromzufuhreinrichtungen 12 weisen jeweils eine Elektrode 27 auf. Die Elektroden 27 umfassen Aluminium. Andere Elektrodenwerkstoffe sind möglich. Die Elektroden 27 sind plattenförmig ausgebildet.
Des Weiteren umfassen die Stromzufuhreinrichtungen 12 jeweils eine elektrische Leitung 32, die mit der zugeordneten Elektrode 27 verbunden ist. Die Elektroden 27 weisen jeweils eine Längsseite auf, an der eine U-förmig Ausnehmung ausgebildet ist. Die Ausnehmung dient vorzugsweise zur Aufnahme und Verbindung von Anschlüssen der elektrischen Leitungen 32. Die Ausnehmungen der beiden Elektroden 27 sind quer zur Längsrichtung der Elektroden 27 voneinander versetzt. Dazu sind die Elektroden 27, insbesondere wegen der Leitungsführung der Leitungen 32 und etwaiger Materialanhäufungen, gedreht zueinander, d.h. umklappt angeordnet. Die Elektroden 27 sind stirnseitig kontaktiert, um die Ebenheit der Elektroden 27, insbesondere plattenförmige Elektroden 27, zu realisieren. Durch die ebene Form der Elektroden 27 ist die Wärmeausbringung erhöht. Die Verbindung der Leitungen 32 mit den Elektroden 27 ist in den Figuren 1 bis 3 nicht dargestellt.
Das Heizelement 11 gemäß Fig. 1 bis 3 ist eine PTC-Element. Mit anderen Worten weist das Heizelement 11 einen positiven Temperaturkoeffizienten auf. Im Folgenden wird das Heizelement 11 als PTC-Element 11 bezeichnet. Wie in Fig. 2 und 3 gut zu erkennen ist, ist das PTC-Element 11 zwischen den beiden Elektroden 27 angeordnet. Das PTC-Element 11 ist plattenförmig ausgebildet. Das PTC-Element 11 ist in seinen Außenabmessungen an den Schmalseiten kleiner als die Elektroden 27 ausgebildet. Mit anderen Worten weist das PTC-Element 11 eine Außenkontur auf, die von einer Außenkontur der Elektroden 27 umlaufend nach innen, insbesondere zur eigenen Mitte hin, versetzt ist.
Konkret bilden die Elektroden 27 mit dem dazwischen angeordneten PTC-Element 11 ein Sandwichpaket 19. Dadurch ist die Herstellung bzw. der Zusammenbau der Heizeinrichtung 10 erheblich vereinfacht. Das Sandwichpaket 19 ist in dem Aufnahmehohlraum 15 liegend angeordnet. Das PTC-Element 11 und die Elektroden 27 sind jeweils länglich ausgebildet. Das PTC-Element 11 und die Elektroden 27 erstrecken sich in Längsrichtung des Wärmetauscherkörpers 13.
Ferner umfasst die Heizeinrichtung 10 das vorgenannte Federelement 16. Das Federelement 16 ist eine Blattfeder 26. Die Blattfeder 26 ist ein gesondertes bzw. separates Federelement. Mit anderen Worten ist die Blattfeder 26 von dem Wärmetauscherkörper 13 baulich getrennt. Die Blattfeder 26 ist im Querschnitt bogenförmig ausgebildet. Mit anderen Worten ist die Blattfeder 26 schalenförmig ausgebildet. Konkret weist die Blattfeder 26 eine konvexe Form in Richtung des Heizelements 11 auf. Die Blattfeder 26 umfasst einen Scheitelpunktbereich 33, der einen Spannkraft-Übertragungsabschnitt in Richtung des Heizelements 11 bildet. Des Weiteren umfasst die Blattfeder 26 zwei seitliche Kontaktabschnitte 36, mit denen sich die Blattfeder 26 gegen Abstützbereiche 17 des Wärmetauscherkörpers 13 abstützt. Auf die Abstützbereiche 17 wird später näher eingegangen.
Die seitlichen Kontaktabschnitte 36 sind seitliche Enden der Blattfeder 26, die einander gegenüberliegen. Die seitlichen Kontaktabschnitte 36, insbesondere die seitlichen Enden, erstrecken sich in Längsrichtung des Wärmetauscherkörpers 13. Die Blattfeder 26 ist länglich ausgebildet. Die Blattfeder 26 erstreckt sich in Längsrichtung des Wärmetauscherkörpers 13. Mit anderen Worten verläuft die Blattfeder 26 parallel zu den Seitenwänden 23. Die Blattfeder 26 ist in dem Aufnahmehohlraum 15 angeordnet. Konkret ist die Blattfeder 26 auf der der Basis 22 gegenüberliegenden Seite 34 angeordnet. Die Blattfeder 26 überspannt den Aufnahmehohlraum 15 in Längsrichtung des Wärmetauscherkörpers 13.
Wie vorstehend genannt, weist der Wärmetauscherkörper 13 an den Seitenwänden 23 die Abstützbereiche 17 zur Anlage der seitlichen Kontaktabschnitte 36 der Blattfeder 26 auf. Die Abstützbereiche 17 sind durch Laschen 24 gebildet, die quer zur Längsrichtung an den Seitenwänden 23 nach innen gebogen sind. Mit anderen Worten sind die Laschen 24 durch Biegen umgeklappt. Die Laschen 24 können auch als Biegelaschen bezeichnet werden. Die Laschen 24 sind Bestandteil der Seitenwände 23. Die Laschen 24 weisen jeweils eine Innenseite 21 auf, die der Basis 22 zugewandt ist. An dieser Innenseite 21 liegt die Blattfeder 26 mit den seitlichen Kontaktabschnitten 36 zur Abstützung an.
Durch das Biegen der Laschen 24 ist die Spannkraft der Blattfeder 26 einstellbar.
Die Spannkraft der Blattfeder 26 ist abhängig von dem Biegewinkel der Laschen 24, mit dem die Laschen 24 nach innen gebogen sind. Ferner haben die Laschen 24 den Vorteil, dass ein Toleranzausgleich zwischen der Blattfeder 26 und dem Wärmetauscherkörper 13 sowie dem später beschriebenen Anpressteil 25 ermöglicht wird. Zusätzlich wird eine störkantenfreie Montage sowie eine erhöhte Wölbung der Blattfeder 26 ermöglicht, woraus eine verbesserte Spannung der Blattfeder 26 und somit eine erhöhte Wärmeleistung resultiert.
Zwischen der Blattfeder 26 und dem Sandwichpaket 19 ist ein Anpressteil 25 angeordnet. Das Anpressteil 25 nimmt die Spannkraft von der Blattfeder 26 auf und überträgt die aufgenommene Spannkraft auf die angrenzende Elektrode 27. Das Anpressteil 25 weist eine der Blattfeder 26 zugewandte Fläche 37 auf, die mit dem Scheitelpunktbereich 33 in Kontakt steht. Die Fläche 37 des Anpressteils 25 weist eine teilweise gekrümmte Form zur Anlage des Scheitelpunktbereichs 33 der Blattfeder 26 auf. Konkret weist die Fläche 37 des Anpressteils 25 eine konkave Form auf. Des Weiteren kann das Anpressteil 25 an der Fläche 37 Kerben aufweisen.
Das Anpressteil 25 ist an einer Innenkontur 31 des Wärmetauscherkörpers 13 anliegend oder von dieser geringfügig beabstandet angeordnet. Konkret kann das Anpressteil 25 an den gegenüberliegenden Seitenwänden 23 anliegen. Dadurch wird eine positionsgenaue Anordnung des Anpressteils 25 in dem Aufnahmehohlraum 15 erreicht. Das Anpressteil 25 ist in Spannkraftrichtung beweglich angeordnet. Ferner weist das Anpressteil 25 an Längskanten eine Abschrägung auf. Das Anpressteil 25 ist plattenförmig ausgebildet. Das Anpressteil 25 besteht aus einem Vollmaterial. Konkret ist das Anpressteil 25 aus Aluminium.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist das Sandwichpaket 19 mit einer Isoliereinrichtung 28 umgeben. Konkret ist das Sandwichpaket 19 mit einer Isolierfolie vollständig ummantelt. Die Isolierfolie ist somit zwischen dem Anpressteil 25 und dem Wärmetauscherkörper 13 und dem Sandwichpaket 19 zur elektrischen Isolierung angeordnet.
Im Folgenden wird die Anordnung der vorstehend genannten Einzelkomponenten der Heizeinrichtung 10 mit dem Wärmetauscherkörper 13 ausgehend von der Basis 22 entlang einer gedachten Achse beschrieben, die zu der Basis 22 lotrecht steht.
Wie in Fig. 2 gut ersichtlich, ist zwischen der Basis 22 und einer ersten der beiden Elektroden 27 die Isolierfolie angeordnet. An der Isolierfolie liegt die erste Elektrode 27 flächig an. Angrenzend an die erste Elektrode 27 ist das PTC-Element 11 angeordnet, wobei daran angrenzend wiederum eine zweite der beiden Elektroden 27 flächig anliegt. Anschließend ist das Anpressteil 25 angeordnet, wobei sich zwischen dem Anpressteil 25 und der zweiten Elektrode 27 die Isolierfolie befindet. Das Anpressteil 25 steht auf der der Basis 22 gegenüberliegenden Seite 34 des Wärmetauscherkörpers 13 mit der Blattfeder 26, konkret mit dem Scheitelpunktbereich 33 der Blattfeder 26 in Kontakt. Die Blattfeder 26 und das Anpressteil 25 stehen zur Kraftübertragung in direktem Kontakt. Um die Spannkraft aufzubringen, stützt sich die Blattfeder 26 mit den seitlichen Kontaktabschnitten 36 gegen die beiden Laschen 24 des Wärmetauscherkörpers 13 ab.
Die Blattfeder 26 liegt an den Innenseiten 21 der beiden Laschen 24 an, um die Spannkraft bezogen auf die Laschen 24 in entgegengesetzter Richtung aufzubringen. Die Laschen 24 stehen zur Mitte, insbesondere in Richtung zur Längsachse L, hin über die seitlichen Kontaktabschnitte 36 der Blattfeder 26 teilweise über. Die Laschen 24 bilden daher jeweils ein Widerlager für die seitlichen Kontaktabschnitte 36 der Blattfeder 26. Die Blattfeder 26 ist zwischen dem Anpressteil 25 und den Laschen 24 zur Vorspannung elastisch verformt. Konkret wird die Blattfeder 26 bei der Herstellung der Heizeinrichtung 10 erst durch das Umklappen bzw. Umbiegen der Laschen 24 zu der Blattfeder 26 hin gegen das Anpressteil 25 gepresst und somit vorgespannt. Der Kraftfluss der Spannkraft erfolgt von der Blattfeder 26 über den Scheitelpunktbereich 33 auf das Anpressteil 25, von dem Anpressteil 25 auf das Sandwichpaket 19 und anschließend zur Basis 22 des Wärmetauscherkörpers 13. Mit anderen Worten verspannt die Blattfeder 26 über das Anpressteil 25 das Sandwichpaket 19 gegen die Basis 22. Dadurch werden die integrierten Komponenten in dem Aufnahmehohlraum 15 stabil und fest gehalten. Die Isolierfolie ist hier der Einfachheit halber nicht genannt.
Durch die Spannkraft der Blattfeder 26 sind das PTC-Element 11 und die Elektroden 27 aneinander angepresst. Dadurch steigt die Heizleistung des Heizeinrichtung 10 im Vergleich zu herkömmlichen bekannten PTC-Heizelementkonfigurationen. Die Spannkraft der Blattfeder 26 verläuft quer zu zwei Anpressflächen 18 des PTC-Elements 11, über die das PTC-Element 11 mit angrenzenden Anpressflächen 38 der jeweiligen Elektroden 27 in Presskontakt steht. Die Elektroden 27 und das PTC-Element 11 stehen in direktem Kontakt.
Um eine Temperaturregulierung der Heizeinrichtung 10 zu erreichen, bildet die Basis 22 einen Kühlkörper. Die Basis 22 ist, wie in Fig. 1 gezeigt, plattenförmig ausgebildet. Die Basis 22 steht quer zur Längsrichtung über eine der Seitenwände 23 nach außen über. Dieser überstehende Teil der Basis 22 bildet einen Montagebereich 39 zur Befestigung der Heizeinrichtung 10, beispielsweise an einer externen Halteeinrichtung. Der Montagebereich 39 weist zumindest zwei Durchgangsöffnungen auf.
Die Heizeinrichtung 10 weist gemäß Fig. 1 insgesamt zwei Deckel 29 auf, die den Aufnahmehohlraum 15 an dessen Stirnseiten verschließen. An einem der Deckel 29 sind die elektrischen Leitungen 32 der Stromzufuhreinrichtungen 12, insbesondere abgedichtet, nach außen geführt.
Die Deckel 29 dienen dazu, die Eignung der Heizeinrichtung 10 für verschiedene Umgebungsbedingungen, beispielsweise feuchte und/oder staubige Umgebungen zu erhöhen. Durch die genannten Deckel 29 weist die Heizeinrichtung 10 einen erhöhten IP-Schutz auf.
Die Deckel 29 weisen jeweils Fortsätze 41 auf, die von einer Querseite der Deckel 29 abstehen. Die Fortsätze 41 weisen jeweils eine Mehrkantkontur auf. Konkret bilden die Fortsätze 41 Mehrkantstifte, die zur Befestigung der Deckel 29 in runde Ausnehmungen 42 der Innenkontur 31 des Wärmetauscherkörpers 13 eingreifen. Dabei stehen die Fortsätze 41 mit deren Kanten in Linienkontakt mit Flächen der Ausnehmungen 42. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Innenkontur 31 des Wärmetauscherkörpers 13 insgesamt vier Ausnehmungen 42 und der jeweilige Deckel 29 vier Fortsätze 41 auf. Eine derartige Steckverbindung ist besonders vorteilhaft hinsichtlich Haltbarkeit und Montagefreundlichkeit. Zusätzlich können die Deckel 29 mit dem Wärmetauscherkörper 13 verklebt sein. In Fig. 3 ist des Weiteren zu sehen, dass das Sandwichpaket 19 in Längsrichtung von den beiden Deckeln 29 beabstandet ist.

Bezugszeichenliste

10: Heizeinrichtung
11: Heizelement, PTC-Element
12: Stromzufuhreinrichtungen
13: Wärmetauscherkörper
14: Außenoberfläche
15: Aufnahmehohlraum
16: Federelement
17: Abstützbereich
18: Anpressfläche des Heizelements
19: Sandwichpaket
21: Innenseite des Abstützbereichs
22: Basis
23: Seitenwände
24: Lasche
25: Anpressteil
26: Blattfeder
27: Elektrode
28: Isoliereinrichtung
29: Deckel
31: Innenkontur des Wärmetauscherkörpers
32: elektrische Leitungen
33: Scheitelpunktbereich
34: der Basis gegenüberliegende Seite
35: freies Ende
36: seitliche Kontaktabschnitte
37: erste Fläche
38: Anpressflächen der Elektroden
39: Montagebereich
41: Fortsätze
42: Ausnehmungen
L: Längsachse

Claims

Heizeinrichtung (10) mit wenigstens einem Heizelement (11), insbesondere wenigstens einem PTC-Element, wenigstens zwei Stromzufuhreinrichtungen (12) und einem Wärmetauscherkörper (13), der eine Außenoberfläche (14) zur Abgabe von Wärme an eine Umgebung und einen Aufnahmehohlraum (15) zur Aufnahme des Heizelements (11) aufweist, wobei das Heizelement (11) in dem Aufnahmehohlraum (15) angeordnet und mit dem Wärmetauscherkörper (13) wärmeleitend verbunden ist und wenigstens ein Federelement (16) vorgesehen ist, das sich an wenigstens einem Abstützbereich (17) des Wärmetauscherkörpers (13) abstützt und eine Spannkraft in Richtung des Heizelements (11) derart aufbringt, dass das Heizelement (11) gegen die Stromzufuhreinrichtungen (12) und eine Basis (22), insbesondere einen Kühlkörper, des Wärmetauscherkörpers gepresst ist, wobei
das Heizelement (11) zwischen den beiden Stromzufuhreinrichtungen (12) zur Bildung eines Sandwichpakets (19) angeordnet ist und der Abstützbereich (17) durch eine Lasche (24) gebildet ist, die sich ausgehend von wenigstens einer Seitenwand (23) des Wärmetauscherkörpers (13) zur Mitte des Wärmetauscherkörpers (13) hin erstreckt und entlang einer Längsrichtung der Seitenwand (23) verläuft und wenigstens ein Anpressteil (25) zwischen dem Federelement (16) und einer der Stromzufuhreinrichtungen (12) angeordnet ist, wobei das Anpressteil (25) die Spannkraft von dem Federelement (16) auf das Heizelement (11) und zumindest eine der Stromzufuhreinrichtungen (12) überträgt,

und wobei das Federelement (16) eine vorgespannte Blattfeder (26) ist, die eine konvexe Form mit einem Scheitelpunktbereich (33) in Richtung des Heizelements (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasche (24) eine Biegelasche ist, und das Anpressteil (25) in einem der Blattfeder (26) zugewandten Bereich eine konkave Form umfasst, an der der Scheitelpunktbereich (33) der Blattfeder (26) anliegt.
Heizeinrichtung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement (16) an einer dem Aufnahmehohlraum (15) zugewandten Innenseite (21) des Abstützbereichs (17) anliegt und das Heizelement (11) und/oder die Stromzufuhreinrichtungen (12), insbesondere das Sandwichpaket (19), gegen die Basis (22) des Wärmetauscherkörpers (13) verspannt.
Heizeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Heizelement (11) mit den Stromzufuhreinrichtungen (12) durch wenigstens eine Anpressfläche (18) in Kontakt steht, wobei das Federelement (16) das Heizelement (11) und/oder zumindest eine der Stromzufuhreinrichtungen (12) mit der Spannkraft quer zur Anpressfläche (18) beaufschlagt.
Heizeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscherkörper (13) zwei gegenüber angeordnete Seitenwände (23) aufweist, an denen jeweils der Abstützbereich (17) für das Federelement (16) ausgebildet ist.
Heizeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die jeweilige Stromzufuhreinrichtung (12) eine Elektrode (27), insbesondere Aluminium-Elektrode umfasst.
Heizeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aufnahmehohlraum (15) stirnseitig durch wenigstens einen Deckel (29) verschlossen ist, wobei der Deckel (29) zumindest abschnittsweise in eine Innenkontur (31) des Wärmetauscherkörpers (13) formschlüssig eingreift.
Heizeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Isoliereinrichtung (28), insbesondere einer Isolierfolie, zwischen dem Wärmetauscherkörper (13) und dem Sandwichpaket (19) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Heizeinrichtung (10), nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem
- wenigstens ein Heizelement (11), wenigstens zwei Stromzufuhreinrichtungen (12) und ein Wärmetauscherkörper (13) mit einem Aufnahmehohlraum (15) bereitgestellt werden;

- das Heizelement (11) zwischen den beiden Stromzufuhreinrichtungen (12) zur Bildung eines Sandwichpakets (19) angeordnet wird, das anschließend mit einer Isoliereinrichtung (28) ummantelt wird;

- das Sandwichpaket (19) in den Aufnahmehohlraum (15) derart eingebracht wird, dass das Heizelement (11) mit dem Wärmetauscherkörper (13) wärmeleitend in Verbindung steht;

- wenigstens ein Federelement (16), in den Aufnahmehohlraum (15) eingelegt wird, wobei das Federelement (16) eine vorgespannte Blattfeder ist, die eine konvexe Form aufweist;

- wenigstens ein Anpressteil (25) zwischen dem Federelement (16) und einer der Stromzufuhreinrichtungen (12) angeordnet ist, wobei das Anpressteil (25) in einem der Blattfeder zugewandten Bereich eine konkave Form umfasst, und

- wenigstens ein Abstützbereich (17) des Wärmetauschers in Form einer Lasche (24) zur Vorspannung des Federelements (16) derart plastisch verformt,
insbesondere umgebogen, wird, dass das Federelement (16) eine Spannkraft über das Anpressteil (25) in Richtung des Heizelements (11) aufbringt und das Heizelement (11) gegen die beiden Stromzufuhreinrichtungen (12) und eine Basis (22), insbesondere einen Kühlkörper, des Wärmetauscherkörpers (13) presst.