WO2018202741A1 - Elektrische heizvorrichtung und verfahren zum erkennen einer überhitzung einer solchen elektrischen heizvorrichtung - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an electric heater and a method for detecting overheating of such an electric heater.
- Electric heaters may be used, for example, in automobiles for heating (warming) the cabin air of a passenger compartment, heating the battery, preheating the cooling water of water-cooled engines, preheating the spark plugs in auto-ignition engines, heating fuel, thawing operating fluids such as disc or Headlight cleaning fluid and the urea solution of an SCR catalyst, etc. are used.
- electric vehicles fuel cell vehicles or hybrid vehicles in which heating circuits can not be heated or only temporarily by an internal combustion engine, electrical heating devices are provided.
- electrical heaters can be used in so-called white goods, such as a tumble dryer or a washing machine.
- US 2007/0177858 A1 shows an electric heating device for heating a fluid and a method for carrying out the heating.
- DE 199 40 988 A1 shows a method and a circuit for monitoring at least one radiator of a water heater.
- CH 537 687 A a device for limiting the temperature of a radiator to an electrical resistance heater is shown.
- Electric heaters may include a fluid carrying housing into which an electrical heating element, such as a resistance wire, is received, wherein the electrical heating element may be surrounded by a sheath.
- the surrounded by the sheath electric heating element then forms a so-called tubular heater (RHK), wherein a plurality of tubular heaters may be provided.
- RHK tubular heater
- Such a heater with tubular heaters is known for example from DE 10 2010 060 446 A1.
- the fluid which is heated by the electric heating element for example, water or a mixture of water and glycol can be used.
- Other liquids, such as heat transfer oils, may be such fluids.
- it may also be a gaseous fluid.
- an electric heater with tubular heater for example, as an air heater, in particular as a high-voltage air heater may be formed.
- the air to be heated by the air heater is conveyed by means of a fan to the air heater.
- the heat is then released to the medium to be heated (for example the passenger compartment air) or object.
- the heat output from the tubular heating element or the electrical heating device is typically controlled by means of pulse width modulation by a drive circuit.
- the detection of overheating or dry running is typically done by determining the resistance of the heating wire, which varies depending on the temperature.
- this approach reaches its limits in certain unfavorable operating constellations. For example, only a partial dry run is not reliably detected.
- circuit-technically complicated solutions for overheating detection are known, as described, for example, in German patent application DE 10 2016 109 039.5.
- heating wires with PTC effect used as electrical heating elements are characterized in that they have a low resistance when starting up at low temperatures or in the cold state, which leads to undesirably high current peaks at the time of switching on. Such current peaks burden the on-board network of the vehicle and should therefore be avoided or minimized as far as possible.
- the sheath consists at least partially of electrically conductive material.
- the electric heating element is arranged in the casing. Between the electrical heating element and the sheath is an electrically insulating filler provided which isolates the electrical heating element from the sheath.
- the electrical heating device is characterized by an evaluation device, which is designed such that it measures an insulation resistance between the electric heating element and the sheath, compares the measured value of the insulation resistance with a reference value and detects overheating of the electric heating device when the measured value of the insulation resistance falls below the reference value.
- the evaluation device is preferably designed to apply a measuring voltage between or to the electrical heating element and the sheath, wherein in principle the measuring voltage can also be applied by another electrical unit than the evaluation device.
- the electric heating device according to the invention can be used for heating a liquid and / or a gaseous fluid.
- the electrical heating element and the jacket associated therewith are designed as tubular heating elements, wherein the electrical heating element is preferably designed as a heating wire.
- the insulating filler disposed between the electric heating element and the cladding may be, for example, magnesium oxide (MgO). Other materials are possible as filler. Characteristic of suitable fillers are the electrical insulation, the high thermal conductivity and a high melting point.
- the electric heating device preferably has a housing, which is flowed through or can be flowed through by the fluid to be heated and which receives the arranged in the sheath electrical heating element including the sheathing.
- the housing and the sheath are at the same potential, in particular at the same potential as a body of the vehicle.
- the sheathing is galvanically isolated from the housing.
- the galvanic separation of casing and housing offers more degrees of freedom.
- galvanic isolation for example, an influence of a measuring voltage for measuring the insulation resistance on a vehicle or a device in which the electric heater is to be used, in particular an influence on an insulation monitor or insulation monitoring in the vehicle / device advantageously be prevented so that the insulation monitor or the insulation monitoring of the vehicle / device is not unintentionally triggered by the measuring voltage.
- the total insulation resistance which should not be undershot and is usually monitored by an insulation monitor (insulation monitoring), is typically more than 2 ⁇ . If the total insulation resistance drops to 2 ⁇ , the insulation monitor detects insufficient insulation. In principle, the insulation monitor can of course also be set so that it triggers when falling below a limit of a different magnitude, for example in the kiloohm range.
- the total insulation resistance is defined as the insulation resistance between the high-voltage power circuit of a motor vehicle and the vehicle mass.
- the high-voltage power circuit consists of the high-voltage vehicle battery, all connected, powered by the high-voltage consumers and the associated wiring.
- the reference value with which the measured insulation resistance between the electrical heating element and the sheath is compared preferably above a typically set by the manufacturer limit for the total insulation resistance of the vehicle / device in which the electric heater is to be installed.
- FIG. 4 shows measured courses of the insulation resistance R between electrical heating element and sheath in the normal case (solid line) and in at least partial dry running (dashed line) above the temperature T. Further, a suitably set reference value is shown as a dot-dash line of constant value. As can be seen from Figure 4, the insulation resistance decreases in dry running with increasing temperature faster than the normal case.
- an insulation resistance which is usually in the gigaohm range
- this insulation resistance drops, for example, to a value between 400 ⁇ and 800 ⁇ , while the insulation resistance in dry operation drops to or between 50 ⁇ and 200 ⁇ .
- the reference value with which the measured insulation resistance between the electrical heating element and the jacket is compared thus preferably lies in the range between approximately 250 ⁇ and approximately 350 ⁇ .
- the inventive method for detecting overheating of an electric heater according to the invention is characterized in that the insulation resistance between the electric heating element and the sheath is measured by the evaluation of the electric heater, the measured value of the insulation resistance is compared by means of the evaluation with a reference value and a Overheating of the electric heater is detected by the evaluation when the measured value of the insulation resistance falls below the reference value.
- the measurement of the insulation resistance and the comparison of the measured value of the insulation resistance with the reference value can be carried out continuously or in predetermined (in particular short) time intervals.
- the evaluation device preferably applies a measuring voltage between the electrical heating element and the sheathing.
- the reference value is preferably stored in advance in the evaluation device.
- the present invention makes use of the advantages found in laboratory experiments. Useful effect that the insulation resistance between the electric heating element and the sheath rapidly drops when overheating of the electric heating element and thus the electric heater.
- the overheating detection realized by the heating device according to the invention and the method according to the invention is independent of the type or the material of a heating wire used as an electrical heating element.
- a heating wire with PTC effect for example, a heating wire with a resistance independent of the temperature can be used, whereby advantageously high starting currents can be avoided.
- FIG. 1 shows a longitudinal section of an electric heater according to the invention in partial dry running.
- Fig. 2 is a schematic cross section of a arranged in a sheath electrical heating element of the electric heater according to the invention with a schematically illustrated evaluation
- Fig. 3 is an electrical equivalent circuit diagram of a arranged in a sheath electrical heating element.
- Fig. 4 curves of the insulation resistance in the normal case (solid line) and in dry running (dashed line) and the reference value (dash-dotted line).
- FIG. 4 has already been described in the introduction to the description.
- FIG. 1 shows an electrical heating device 1 according to the invention with at least one electrical heating element 2, which is arranged in a casing 3.
- the electrical heating element 2 and the sheath 3 preferably form a tubular heater 4, which may be formed helically.
- the in Figure 1 shown electrical heater 1 three tubular heater 4, wherein more or less tubular heater 4 may be provided.
- the electrical heating elements 2 are preferably formed as heating wires of a typical Schudrahtlegtechnik, which have a PTC effect or are provided with a constant temperature over the resistance.
- the heating wires can be coiled.
- the inclined representation of the electric heater 1 in Figure 1 is intended to show a possible mounting position in a motor vehicle.
- the electric heating device 1 preferably has a housing 5, which accommodates the tubular heating elements 4, that is to say the electrical heating elements 2 arranged in their respective shells 3, in a fluid space 6.
- the housing 5 or the fluid chamber 6 has an inlet 7 for introducing a fluid and an outlet, not shown, for discharging the fluid after it has been heated by the tubular heating elements 4 and the electrical heating elements 2, respectively.
- the fluid is, for example, water or a water-glycol mixture.
- the housing 5 may be screwed to the body of a vehicle or otherwise electrically conductive attached to the body and thus connected to vehicle ground, so that the housing 5 is at the same potential as the body.
- the housing 5 further preferably has an electronics compartment 9 separated from the fluid space 6 by a partition wall 7.
- the electronics compartment 9 serves to receive a drive circuit, not shown, which controls the
- the drive circuit corresponding switching elements, such as bipolar transistors and / or MOSFETs.
- the drive circuit may also be provided separately from the electronic heater 1.
- each electrical heating element 2 consists at least partially, preferably completely, of electrically conductive material such as steel or stainless steel.
- the casing 3 is preferably electrically conductively connected to the housing 5, for example soldered, and is thus located at a cable.
- rosserie a vehicle mounted housing 5 also on vehicle ground, so that the sheath 3, the housing 5 and the body are at the same potential.
- the insulating filler 8 may be, for example, magnesium oxide.
- an evaluation device 10 in particular an evaluation circuit, which is designed such that it measures the insulation resistance between the electrical heating element 2 and the sheath 3 of each tubular heater 4 measured value of the insulation resistance compared with a stored in the evaluation device 10 reference value and detects overheating of the electric heater 1 and the electric heating element 2 when the measured value of the insulation resistance falls below the reference value.
- the evaluation device 10 via a first, unspecified line with the electric heating element 2, in particular a protruding from the sheath 3 end 12 of the
- the evaluation device 10 measures the (insulation) resistance of the insulating filler 8 that results when the measurement voltage is applied.
- the evaluation device 10 is connected to the electrical heating elements 2 and sheaths 3 of each tubular heating element 4.
- an evaluation device 10 may be provided for each tubular heater 4, that is, there may be a plurality of evaluation devices.
- the evaluation device 10 is preferably arranged in the electronics compartment 9 of the housing 5, wherein the evaluation device 10 may form part of the control circuit, but may also be provided separately therefrom. Of course, the value device 10 may also be arranged outside of the housing 5.
- FIG. 1 shows the electric heating device 1 according to the invention in the case of partial dry running.
- the fluid flowing through the fluid chamber 6 of the housing 5 fluid covers the tubular heater 4 only partially.
- the level or the surface of the fluid is indicated by reference numeral 11.
- FIG. 3 shows an electrical equivalent circuit diagram of an electrical heating element 2 of the electric heating device according to the invention, which is arranged in a casing 3.
- the insulating filler 8 can be represented electrically as a parallel connection of individual insulation resistors R, the insulation resistance between the electrical heating element 2 and the sheath 3 being defined as the parallel connection of these individual insulation resistors R.
- the value of the individual insulation resistance R corresponding to this part of the tubular heating element 4 or the corresponding several individual insulation resistances R decreases rapidly and falls below Reference value, which means that the (total) insulation resistance between the electric heating element 2 and the casing 3 of the tubular heater 4 also decreases rapidly and falls below the reference value.
- the evaluation device 10 of the electric heater 1 is below the reference value by the insulation resistance between the electric heating element 2 and the sheath 3 and thus overheating advantageously not only in a complete but also in a partial dry run recognized as a decrease in the resistance value of even one of the individual insulation resistors R, which represent the resistance of the insulating filler 8 in parallel, a decrease in the (total) insulation resistance between the electric heating element 2 and the sheath 3 result.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen eines Fluid, welche ein elektrisches Heizelement (2) und eine Ummantelung (3) für das elektrische Heizelement (2) aufweist, welche zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material besteht, wobei das elektrische Heizelement (2) in der Ummantelung (3) angeordnet ist und zwischen dem elektrischen Heizelement (2) und der Ummantelung (3) ein elektrisch isolierender Füllstoff (8) vorgesehen ist, welcher das elektrische Heizelement (2) von der Ummantelung (3) isoliert, und wobei eine Auswerteeinrichtung (10) vorgesehen ist, welche derart ausgestaltet ist, dass sie einen Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement (2) und der Ummantelung (3) misst, den gemessenen Wert des Isolationswiderstandes mit einem Referenzwert vergleicht und eine Überhitzung der elektrischen Heizvorrichtung (1) erkennt, wenn der gemessene Wert des Isolationswiderstandes den Referenzwert unterschreitet. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung einer solchen elektrischen Heizvorrichtung (1).
Description
Elektrische Heizvorrichtung und Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung einer solchen elektrischen Heizvorrichtung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung einer solchen elektrischen Heizvorrichtung.
Elektrische Heizvorrichtungen können beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Aufheizen (Erwärmen) der Raumluft einer Fahrgastzelle, zum Erwärmen der Batterie, zum Vorheizen des Kühlwassers von wassergekühlten Motoren, zum Vorglühen der Zündkerzen bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen, zum Erwärmen von Kraftstoff, zum Auftauen von Betriebsflüssigkeiten wie Scheiben- oder Scheinwerferreinigungsflüssigkeit und der Harnstofflösung eines SCR-Katalysators etc. eingesetzt werden. Insbesondere in Elektrofahrzeugen, Brennstoffzellenfahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, in denen Heizkreisläufe nicht oder nur temporär von einem Verbrennungsmotor erwärmt werden können, sind elektrische Heizvorrichtungen vorgesehen. Ferner können elektrische Heizvorrichtungen in sogenannter Weißer Ware, wie beispielsweise einem Wäschetrockner oder einer Waschmaschine eingesetzt werden.
Die US 2007/0177858 A1 zeigt eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen eines Fluids und ein Verfahren zur Durchführung der Erwärmung.
Die DE 199 40 988 A1 zeigt ein Verfahren und eine Schaltung zur Überwachung von wenigstens einem Heizkörper eines Warmwasserbereiters.
In der CH 537 687 A ist eine Vorrichtung zum Begrenzen der Temperatur eines Heizkörpers an einem elektrischen Widerstandsheizgerät gezeigt.
Elektrische Heizvorrichtungen können ein fluidführendes Gehäuse aufweisen, in welches ein elektrisches Heizelement, wie beispielsweise einen Widerstandsdraht aufgenommen ist, wobei das elektrische Heizelement von einer Ummantelung umgeben sein kann. Das von der Ummantelung umgebene elektrische Heizelement bildet dann
einen sogenannten Rohrheizkörper (RHK), wobei mehrere Rohrheizkörper vorgesehen sein können. Eine derartige Heizvorrichtung mit Rohrheizkörpern ist beispielsweise aus der DE 10 2010 060 446 A1 bekannt.
Als Fluid, welches von dem elektrischen Heizelement erwärmt wird, kann beispielsweise Wasser oder eine Mischung aus Wasser und Glykol eingesetzt werden. Auch andere Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Wärmeträgeröle, können solche Fluide sein. Es kann sich jedoch auch um ein gasförmiges Fluid handeln. So kann eine elektrische Heizvorrichtung mit Rohrheizkörper beispielsweise als Luftheizer, insbesondere als Hochvoltluftheizer, ausgebildet sein. Ein solcher ist beispielhaft in der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2016 122 767.6 beschrieben. Die von dem Luftheizer aufzuwärmende Luft wird mittels eines Lüfters zum Luftheizer befördert.
Von dem mit Hilfe des elektrischen Heizelements erwärmten Fluid wird die Wärme dann an das zu erwärmende Medium (z.B. die Raumluft einer Fahrgastzelle) bzw. Objekt abgegeben. Die von dem Rohrheizkörper bzw. der elektrischen Heizvorrichtung abgegebene Wärmeleistung wird typischerweise mittels Pulsweitenmodulation von einer Ansteuerschaltung gesteuert.
Um eine hohe Lebensdauer von elektrischen Heizvorrichtungen sicherzustellen, ist es erforderlich, Maßnahmen zum Erkennen einer Überhitzung, wie sie beispielsweise bei einem partiellen oder vollständigen Trockenlauf der elektrischen Heizvorrichtung auftreten kann, wenn die elektrische Heizvorrichtung nicht vollständig von dem zu erwärmenden Fluid durchströmt/umströmt wird, vorzusehen. Auch bei einem Luftheizer kann es zu einer solchen Überhitzung kommen, wenn der Lüfter ausfällt und der Luftheizer somit„trocken läuft".
Bei einer elektrischen Heizvorrichtung mit einem Rohrheizkörper, welcher als elektrisches Heizelement einen Heizdraht mit PTC-Effekt aufweist, erfolgt die Erkennung einer Überhitzung bzw. eines Trockenlaufs typischerweise über die Bestimmung des Widerstands des Heizdrahtes, der sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert.
Dieses Vorgehen stößt jedoch bei bestimmten, ungünstigen Betriebskonstellationen an seine Grenzen. So wird beispielsweise ein nur partieller Trockenlauf nicht zuverlässig erkannt. Zwar kann durch Vorgaben an die Einbaulage der
elektrischen Heizvorrichtung bzw. des Rohrheizkörpers ein partieller Trockenlauf vermieden werden. Allerdings hat der Hersteller keinen Einfluss auf einen von diesen Vorgaben abweichenden Einbau der elektrischen Heizvorrichtung durch den Abnehmer.
Abgesehen davon sind schaltungstechnisch aufwendige Lösungen zur Über- hitzungserkennung bekannt, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2016 109 039.5 beschrieben sind.
Ferner zeichnen sich als elektrische Heizelemente eingesetzte Heizdrähte mit PTC-Effekt dadurch aus, dass sie beim Aufstarten bei niedrigen Temperaturen bzw. im kalten Zustand einen kleinen Widerstand aufweisen, was zum Zeitpunkt des Einschal- tens zu unerwünscht hohen Stromspitzen führt. Solche Stromspitzen belasten das Bordnetz des Fahrzeugs und sollen daher möglichst vermieden oder minimiert werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach aufgebaute elektrische Heizvorrichtung bereitzustellen, welche eine Überhitzung sowohl bei vollständigem Trockenlauf als auch bei partiellem Trockenlauf erkennt. Es ist ferner Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung einer derartigen elektrischen Heizvorrichtung bereitzustellen, welches sowohl einen Trockenlauf als auch einen partiellen Trockenlauf der elektrischen Heizvorrichtung erkennt.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Heizvorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung einer solchen elektrischen Heizvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen eines Fluid weist ein elektrisches Heizelement und eine Ummantelung für das elektrische Heizelement auf. Die Ummantelung besteht zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material. Das elektrische Heizelement ist in der Ummantelung angeordnet. Zwischen dem elektrischen Heizelement und der Ummantelung ist ein elektrisch isolierender Füllstoff
vorgesehen, welcher das elektrische Heizelement von der Ummantelung isoliert.
Die elektrische Heizvorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich durch eine Auswerteeinrichtung aus, welche derart ausgestaltet ist, dass sie einen Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement und der Ummantelung misst, den gemessenen Wert des Isolationswiderstandes mit einem Referenzwert vergleicht und eine Überhitzung der elektrischen Heizvorrichtung erkennt, wenn der gemessene Wert des Isolationswiderstandes den Referenzwert unterschreitet. Zum Messen des Isolationswiderstandes ist die Auswerteeinrichtung vorzugsweise ausgelegt, eine Messspannung zwischen bzw. an das elektrischen Heizelement und die Ummantelung anzulegen, wobei grundsätzlich die Messspannung auch von einer anderen elektrischen Einheit als der Auswerteeinrichtung angelegt werden kann.
Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung kann zum Erwärmen eines flüssigen und/oder eines gasförmigen Fluids verwendet werden.
Vorzugsweise sind das elektrische Heizelement und die diesem zugeordnete Ummantelung als Rohrheizkörper ausgebildet, wobei das elektrische Heizelement bevorzugt als Heizdraht ausgebildet ist. Bei dem isolierenden Füllstoff, der zwischen dem elektrischen Heizelement und der Ummantelung angeordnet ist, kann es sich beispielsweise um Magnesiumoxid (MgO) handeln. Auch andere Materialien sind als Füllstoff möglich. Kennzeichnend für geeignete Füllstoffe sind die elektrische Isolierung, die hohe Wärmeleitfähigkeit sowie ein hoher Schmelzpunkt.
Die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, welches von dem zu erwärmenden Fluid durchströmt wird bzw. durchströmt werden kann und welches das in der Ummantelung angeordnete elektrische Heizelement inklusive dessen Ummantelung aufnimmt.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform liegen das Gehäuse und die Ummantelung auf gleichem Potential, insbesondere auf gleichem Potential wie eine Karosserie des Fahrzeugs.
Gemäß einem alternativen, zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Um- mantelung galvanisch von dem Gehäuse getrennt. Die galvanische Trennung von Unnnnantelung und Gehäuse bietet mehr Freiheitsgrade. Durch die galvanische Trennung kann zum Beispiel ein Einfluss einer Messspannung zum Messen des Isolationswiderstandes auf ein Fahrzeug oder ein Gerät, in welchem die elektrische Heizvorrichtung eingesetzt werden soll, insbesondere ein Einfluss auf einen Isolationswächter bzw. eine Isolationsüberwachung in dem Fahrzeug/Gerät vorteilhafter Weise verhindert werden, so dass der Isolationswächter bzw. die Isolationsüberwachung des Fahrzeugs/Geräts nicht ungewollt durch die Messspannung ausgelöst wird.
Bei Fahrzeugen liegt der Gesamtisolationswiderstand, welcher nicht unterschritten werden soll und üblicherweise von einem Isolationswächter (einer Isolationsüberwachung) überwacht wird, typischerweise bei mehr als 2 ΜΩ. Sinkt der Gesamtisolationswiderstand auf 2 ΜΩ, so erkennt der Isolationswächter eine mangelhafte Isolierung. Grundsätzlich kann der Isolationswächter natürlich auch so eingestellt sein, dass er bei einem Unterschreiten eines Grenzwertes einer anderen Größenordnung, beispielsweise im Kiloohm-Bereich, auslöst. Dabei ist der Gesamtisolationswiderstand als der Isolationswiderstand zwischen dem Hochvolt-Leistungskreis eines Kraftfahrzeuges und der Fahrzeugmasse definiert. Der Hochvolt-Leistungskreis besteht dabei aus der Hochvolt-Fahrzeugbatterie, allen verbundenen, mit der Hochvoltspannung betriebenen Verbrauchern sowie der zugeordneten Verkabelung.
Um zu verhindern, dass ein gegebenenfalls in einem Fahrzeug oder Gerät, in welchem die elektronische Heizvorrichtung gemäß der Erfindung verbaut werden soll, vorgesehener Isolationswächter reagiert, wenn der Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement und der Ummantelung aufgrund von Überhitzung abfällt, liegt der Referenzwert, mit welchem der gemessene Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement und der Ummantelung verglichen wird, bevorzugt oberhalb eines typischerweise vom Hersteller festgelegten Grenzwerts für den Gesamtisolationswiderstand des Fahrzeugs/Geräts, in welches die elektrische Heizvorrichtung eingebaut werden soll.
Figur 4 zeigt gemessene Verläufe des Isolationswiderstandes R zwischen
elektrischem Heizelement und Ummantelung im Normalfall (durchgezogene Linie) und im zumindest teilweisen Trockenlauf (gestrichelte Linie) über der Temperatur T. Ferner ist ein geeignet gesetzter Referenzwert als strich-punktierte Linie konstanten Werts dargestellt. Wie aus Figur 4 erkennbar ist, nimmt der Isolationswiderstand bei Trockenlauf mit Zunahme der Temperatur schneller ab als im Normalfall. Wird beispielsweise bei einer elektrischen Heizvorrichtung gemäß erster Ausführungsform der Erfindung, d.h. ohne galvanische Trennung von Ummantelung und Gehäuse, im unbestromten Zustand, d.h. wenn kein Strom durch das elektrische Heizelement der Heizvorrichtung fließt, von einem Isolationswiderstand ausgegangen, der üblicherweise im Gigaohm- Bereich liegt, so sinkt dieser Isolationswiderstand im Normalbetrieb, d.h. im Heizbetrieb ohne partiellen oder vollständigen Trockenlauf, beispielsweise auf einen Wert zwischen 400 ΜΩ und 800 ΜΩ ab, während der Isolationswiderstand im Trockenlauf auf einen Wert zwischen 50 ΜΩ und 200 ΜΩ oder noch darunter absinkt. Vorzugsweise liegt der Referenzwert, mit welchem der gemessene Isolationswiderstand zwischen elektrischem Heizelement und Ummantelung verglichen wird, somit im Bereich zwischen etwa 250 ΜΩ und etwa 350 ΜΩ.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung kennzeichnet sich dadurch aus, dass der Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement und der Ummantelung mittels der Auswerteeinrichtung der elektrischen Heizvorrichtung gemessen wird, der gemessene Wert des Isolationswiderstand mittels der Auswerteeinrichtung mit einem Referenzwert verglichen wird und eine Überhitzung der elektrischen Heizvorrichtung von der Auswerteeinrichtung erkannt wird, wenn der gemessene Wert des Isolationswiderstandes den Referenzwert unterschreitet. Die Messung des Isolationswiderstandes und der Vergleich des gemessenen Werts des Isolationswiderstandes mit dem Referenzwert können kontinuierlich oder in vorgegebenen (insbesondere kurzen) Zeitabständen erfolgen. Zum Messen des Isolationswiderstandes legt die Auswerteeinrichtung vorzugsweise eine Messspannung zwischen das elektrischen Heizelement und die Ummantelung an. Der Referenzwert ist bevorzugt vorab in der Auswerteeinrichtung hinterlegt.
Die vorliegende Erfindung macht sich die in Laborversuchen aufgefundene vorteil-
hafte Wirkung zu Nutze, dass der Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement und der Ummantelung bei Überhitzung des elektrischen Heizelements und somit der elektrischen Heizvorrichtung rapide abfällt.
Mithilfe der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung kann eine Überhitzung sowohl bei vollständigem als auch bei partiellem Trockenlauf erkannt werden. Vorteilhafterweise ist die durch die erfindungsgemäße Heizvorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren realisierte Überhitzungserkennung unabhängig von der Art bzw. dem Material eines als elektrisches Heizelement eingesetzten Heizdrahtes. So kann statt einem Heizdraht mit PTC-Effekt beispielsweise ein Heizdraht mit einem von der Temperatur unabhängigen Widerstand verwendet werden, wodurch vorteilhafterweise hohe Anlaufströme vermieden werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung bei partiellem Trockenlauf;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt eines in einer Ummantelung angeordnetes elektrisches Heizelements der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung mit schematisch dargestellter Auswerteeinrichtung und
Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines in einer Ummantelung angeordneten elektrischen Heizelements.
Fig. 4 Kurvenverläufe des Isolationswiderstandes im Normalfall (durchgezogene Linie) und im Trockenlauf (gestrichelte Linie) und des Referenzwerts (strich-punktierte Linie).
Figur 4 ist bereits in der Beschreibungseinleitung beschrieben.
Figur 1 zeigt eine elektrische Heizvorrichtung 1 gemäß der Erfindung mit zumindest einem elektrischen Heizelement 2, das in einer Ummantelung 3 angeordnet ist. Das elektrische Heizelement 2 und die Ummantelung 3 bilden vorzugsweise einen Rohrheizkörper 4, der wendeiförmig ausgebildet sein kann. Beispielhaft umfasst die in
Figur 1 dargestellte elektrische Heizvorrichtung 1 drei Rohrheizkörper 4, wobei auch mehr oder weniger Rohrheizkörper 4 vorgesehen sein können. Die elektrischen Heizelemente 2 sind bevorzugterweise als Heizdrähte aus einer typischen Heizdrahtlegierung ausgebildet, welche einen PTC-Effekt aufweisen oder mit einem über der Temperatur konstanten Widerstand versehen sind. Die Heizdrähte können gewendelt sein. Die geneigte Darstellung der elektrischen Heizvorrichtung 1 in Figur 1 soll eine mögliche Einbaulage in einem Kraftfahrzeug zeigen.
Die elektrische Heizvorrichtung 1 weist vorzugsweise ein Gehäuse 5 auf, welches die Rohrheizkörper 4, das heißt die in ihrer jeweiligen Ummantelung 3 angeordneten elektrischen Heizelemente 2, in einem Fluidraum 6 aufnimmt. Das Gehäuse 5 bzw. der Fluidraum 6 weist einen Einlass 7 zum Einführen eines Fluids und einen nicht dargestellten Auslass zum Abführen des Fluids, nachdem es von den Rohrheizkörpern 4 bzw. den elektrischen Heizelementen 2 erwärmt worden ist, auf. Bei dem Fluid handelt es sich beispielsweise um Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung. Das Gehäuse 5 kann an die Karosserie eines Fahrzeugs geschraubt oder anderweitig elektrisch leitend an die Karosserie angebracht werden und somit mit Fahrzeugmasse verbunden werden, sodass das Gehäuse 5 auf gleichem Potential wie die Karosserie liegt.
Das Gehäuse 5 weist ferner bevorzugt einen von dem Fluidraum 6 durch eine Trennwand 7 getrennten Elektronikraum 9 auf. Der Elektronikraum 9 dient zur Aufnahme einer nicht dargestellten Ansteuerschaltung, die der Ansteuerung der
elektrischen Heizelemente 2, insbesondere mittels Pulsweitenmodulation, dient, wodurch eine Steuerung der von den elektrischen Heizelementen 2 erzeugten Wärmeleistung erfolgt. Hierfür weist die Ansteuerschaltung entsprechende Schaltelemente, beispielsweise Bipolartransistoren und/oder MOSFETs auf. Selbstverständlich kann die Ansteuerschaltung auch separat von der elektronischen Heizvorrichtung 1 vorgesehen sein.
Die Ummantelung 3 eines jeden elektrischen Heizelements 2 besteht zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus elektrisch leitfähigem Material wie beispielsweise Stahl oder Edelstahl. Die Ummantelung 3 ist bevorzugt mit dem Gehäuse 5 elektrisch leitend verbunden, zum Beispiel verlötet, und liegt somit bei an einer Ka-
rosserie eines Fahrzeugs angebrachtem Gehäuse 5 ebenfalls auf Fahrzeugmasse, sodass die Ummantelung 3, das Gehäuse 5 und die Karosserie auf gleichem Potential liegen.
Zwischen der Ummantelung 3 und dem elektrischen Heizelement 2 eines jeden Rohrheizkörpers 4 ist ein isolierender Füllstoff 8 vorgesehen, welcher das elektrische Heizelement 2 von der Ummantelung 3 isoliert (und vice versa; siehe auch Figur 2). Bei dem isolierenden Füllstoff 8 kann es sich beispielsweise um Magnesiumoxid handeln.
Wie in Figuren 1 und 2 (schematisch dargestellt) zu sehen ist, ist eine Auswerteeinrichtung 10, insbesondere eine Auswerteschaltung, vorgesehen, die derart ausgestaltet ist, dass sie den Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement 2 und der Ummantelung 3 eines jeden Rohrheizkörpers 4 misst, den gemessenen Wert des Isolationswiderstandes mit einem in der Auswerteeinrichtung 10 hinterlegten Referenzwert vergleicht und eine Überhitzung der elektrischen Heizvorrichtung 1 bzw. des elektrischen Heizelements 2 erkennt, wenn der gemessene Wert des Isolationswiderstandes den Referenzwert unterschreitet. Hierfür ist die Auswerteeinrichtung 10 über eine erste, nicht näher bezeichnete Leitung mit dem elektrischen Heizelement 2, insbesondere einem aus der Ummantelung 3 herausragenden Ende 12 des
elektrischen Heizelements 2, und über eine zweite, nicht näher bezeichnete Leitung mit der Ummantelung 3 verbunden und legt zwischen dem elektrischen Heizelement 2 und der Ummantelung 3 eine Messspannung an. Die Auswerteeinrichtung 10 misst dann den sich bei Anlegen der Messspannung ergebenden (Isolations-)Widerstand des isolierenden Füllstoffes 8. Der Einfachheit halber ist in den Figuren nur die elektrische Verbindung der Auswerteeinrichtung 10 mit einem Rohrheizkörper 4 dargestellt. Bei mehreren Rohrheizkörpern 4 ist die Auswertevorrichtung 10 jedoch mit den elektrischen Heizelementen 2 und Ummantelungen 3 von jedem Rohrheizkörper 4 verbunden. Natürlich kann auch eine Auswerteeinrichtung 10 für jeden Rohrheizkörper 4 vorgesehen sein, das heißt, es können mehrere Auswerteeinrichtungen vorhanden sein.
Die Auswerteeinrichtung 10 ist vorzugsweise in dem Elektronikraum 9 des Gehäuses 5 angeordnet, wobei die Auswerteeinrichtung 10 Teil der Steuerschaltung bilden kann, aber auch separat zu dieser vorgesehen sein kann. Natürlich kann die Aus-
werteeinrichtung 10 auch außerhalb des Gehäuses 5 angeordnet sein.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung 1 bei partiellem Trockenlauf. Das den Fluidraum 6 des Gehäuses 5 durchströmende Fluid bedeckt die Rohrheizkörper 4 nur teilweise. Der Füllstand bzw. die Oberfläche des Fluids ist durch Bezugsziffer 11 gekennzeichnet.
Figur 3 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines elektrischen Heizelements 2 der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung, das in einer Ummantelung 3 angeordnet ist. Der isolierende Füllstoff 8 lässt sich elektrisch als eine Parallelschaltung von Einzel isolationswiderständen R darstellen, wobei der Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement 2 und der Ummantelung 3 als die Parallelschaltung dieser Einzelisolationswiderstände R definiert ist.
Liegt ein Teil eines Rohrheizkörpers 4 trocken (partieller Trockenlauf) und überhitzt deshalb, so nimmt der Wert des diesem Teil des Rohrheizkörpers 4 entsprechenden Einzelisolationswiderstandes R oder der entsprechenden mehreren Einzelisolationswiderstände R (in Figur 3 beispielhaft durch einen Kreis gekennzeichnet) rapide ab und fällt unter den Referenzwert, was dazu führt, dass der (gesamte) Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement 2 und der Ummantelung 3 des Rohrheizkörpers 4 ebenfalls rapide abnimmt und unter den Referenzwert fällt.
Somit wird von der Auswerteeinrichtung 10 der erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung 1 eine Unterschreitung des Referenzwerts durch den Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement 2 und dessen Ummantelung 3 und somit eine Überhitzung vorteilhafterweise nicht nur bei einem vollständigen sondern auch bei einem partiellen Trockenlauf erkannt, da ein Absinken des Widerstandswerts von schon einem der Einzelisolationswiderstände R, die in Parallelschaltung den Widerstand des isolierenden Füllstoffs 8 repräsentieren, ein Absinken des (gesamten) Isolationswiderstandes zwischen dem elektrischen Heizelement 2 und dessen Ummantelung 3 zur Folge hat.
Bezugszeichenliste
1 elektrische Heizvorrichtung
2 elektrisches Heizelement
3 Ummantelung
4 Rohrheizkörper
5 Gehäuse
6 Fluidraum
7 Einlass
8 isolierender Füllstoff
9 Elektronikraum
10 Auswerteeinrichtung
11 Füllstand
12 Ende des elektrischen Heizelements
R Einzelisolationswiderstand
T Temperatur
Claims
1 . Elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen eines Fluids, welche zumindest ein elektrisches Heizelement (2) und zumindest eine Ummantelung (3) für das elektrische Heizelement (2) aufweist, welche zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material besteht, wobei das elektrische Heizelement (2) in der Ummantelung (3) angeordnet ist und zwischen dem elektrischen Heizelement (2) und der Ummantelung
(3) ein elektrisch isolierender Füllstoff (8) vorgesehen ist, welcher das elektrische Heizelement (2) von der Ummantelung (3) isoliert,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Auswerteeinrichtung (10) vorgesehen ist, welche derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest einen Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement (2) und der Ummantelung (3) misst, den gemessenen Wert des Isolationswiderstandes mit einem Referenzwert vergleicht und eine Überhitzung der elektrischen Heizvorrichtung (1 ) erkennt, wenn der gemessene Wert des Isolationswiderstandes den Referenzwert unterschreitet.
2. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 2, wobei das elektrische Heizelement (2), die Ummantelung (3) und der isolierende Füllstoff (8) einen Rohrheizkörper
(4) bilden.
3. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein von einem Fluid zu durchströmendes Gehäuse (5) vorgesehen ist, welches das in der Ummantelung (3) angeordnete elektrische Heizelement (2) aufnimmt.
4. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Gehäuse (5) und die Ummantelung (3) auf gleichem Potential liegen.
5. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 4, wobei es sich bei dem Potential um das Potential einer Karosserie handelt.
6. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gehäuse (5) galvanisch von der Ummantelung (3) getrennt ist.
7. Elektnsche Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Referenzwert oberhalb eines Grenzwerts für einen Gesamtisolationswiderstand eines Fahrzeug oder eines Geräts liegt, in welchem die elektrische Heizvorrichtung (1 ) verbaut werden soll.
8. Elektrische Heizvorrichtung nach Anspruch 7 rückbezogen auf Anspruch 4 oder 5, wobei der Referenzwert im Bereich zwischen 250 ΜΩ und 350 ΜΩ liegt.
9. Verfahren zum Erkennen einer Überhitzung einer elektrischen Heizvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Isolationswiderstand zwischen dem elektrischen Heizelement (2) und der Ummantelung (3) mittels der Auswerteeinrichtung gemessen wird,
der gemessene Wert des Isolationswiderstandes mittels der Auswerteeinrichtung (10) mit einem Referenzwert verglichen wird und
eine Überhitzung der elektrischen Heizvorrichtung (1 ) von der Auswerteeinrichtung (10) erkannt wird, wenn der gemessene Wert des Isolationswiderstandes den Referenzwert unterschreitet.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Auswerteeinrichtung (10) zum Messen des Isolationswiderstandes eine Messspannung an das elektrische Heizelement (2) und die Ummantelung (3) anlegt.
11 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei kontinuierlich oder in regelmäßigen Zeitabständen der Isolationswiderstand gemessen und mit dem Referenzwert verglichen wird.
12. Verwendung der elektrischen Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Heizvorrichtung zum Erwärmen eines flüssigen Fluids.
13. Verwendung der elektrischen Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Heizvorrichtung zum Erwärmen eines gasförmigen Fluids.
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