WO2020234305A1 - Fluidheizer und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2020234305A1
WO2020234305A1 PCT/EP2020/063979 EP2020063979W WO2020234305A1 WO 2020234305 A1 WO2020234305 A1 WO 2020234305A1 EP 2020063979 W EP2020063979 W EP 2020063979W WO 2020234305 A1 WO2020234305 A1 WO 2020234305A1
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fluid
fluid heater
heater according
wire
flat structure
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PCT/EP2020/063979
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Gregor Köhler
Annika LUTZ
Errachid Garbija
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Dbk David + Baader Gmbh
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    • H05B2203/023—Heaters of the type used for electrically heating the air blown in a vehicle compartment by the vehicle heating system

Definitions

  • the invention relates to a fluid heater for heating a fluid, preferably air or liquid, and a method for its production.
  • Such fluid heaters are used, for example, as auxiliary heaters for air heating in air conditioning systems of motor vehicles or also for heating liquids, for example coolant in a coolant circuit or fuel.
  • a disadvantage of such a solution is that the production of the knitted fabric with the subsequent overmolding is complex, it being particularly difficult to maintain the predetermined knitted structure during the overmolding.
  • Another disadvantage is that the heat exchange surface is relatively small and, in addition, the heating element is very thermally insulated due to the plastic cover, and the thermal efficiency is therefore comparatively low.
  • a fluid heater in which - similar to the solution described above - a heating element is formed by a polymer structure, in which a conductive structure is integrated.
  • a heating element is formed by a polymer structure, in which a conductive structure is integrated.
  • This can be, for example, a metal foam or a polymer foam or also a metal knitted fabric or metal knitted fabric.
  • the invention is based on the object of creating a fluid heater that is reliable with little outlay in terms of device technology
  • the invention is also based on the object of creating a method for its production.
  • Claim 1 or achieved by a method with the features of claim 17.
  • the fluid heater according to the invention for heating a fluid preferably air or liquid, has a heat-generating medium through which this medium flows
  • Heating element which in principle consists of at least one wire provided with insulation, which is designed in the form of a flat structure and can be held on a carrier.
  • Textile fabrics in the following simplified as
  • Fiber structure can be designed as a mesh structure, such as knitted or crocheted fabrics, as a cross structure, such as woven or braided fabrics, as a scrim or in the manner of a steel wool (disordered wire structure) or in the manner of a nonwoven fabric.
  • carrier is understood to mean any structure for supporting or holding the sheet-like structure.
  • This carrier can, for example, be a frame, a holder or some other element supporting the sheet-like structure, such as
  • the heat is given off directly via the electrically heated wire, with operational reliability being guaranteed due to the insulation of the wire.
  • Such flat structures have the advantage over the solutions described at the outset that, on the one hand, the pressure drop during flow is minimal and, on the other hand, a comparatively large heat exchange surface is provided. Furthermore, due to the thin insulation of the wire or wires, the heating element is only very slightly thermally insulated, so that rapid heating of the medium is ensured.
  • Such a flat structure also ensures a homogeneous one
  • the fully insulated heating element can be contacted very easily by partially removing the insulation from the wire or wires.
  • the fabric is designed as a flat element or as a closed or any desired 3D shaped body by means of an industrial textile machine, the latter being shaped, for example, in the form of a hollow cylinder.
  • Heat exchange surface can be folded or bent to some other shaped body.
  • the production of the fluid heater is particularly simple if the wire or wires made of Cu, Al, CuNi, carbon fiber or another, for the production of
  • Heating elements is made of suitable material. These raw materials are a common industry standard so that the manufacturing cost is low.
  • the use of copper has the advantage that this material has a certain PTC effect, so that operational reliability is ensured by increasing the resistance in the event of an excessive increase in temperature.
  • the insulation is formed by a lacquer or some other coating.
  • This lacquer or the coating can be designed based on PU, PEI or PEEK.
  • the fluid heater can be operated in several heating stages if the planar structure is designed in such a way that two or more heating circuits are formed.
  • the sheet-like structure is clamped into a frame that forms the carrier.
  • planar structure can be rolled up to form a winding and, for example, introduced into a fluid guide tube, so that a heater core through which there is a flow is formed.
  • end pieces are attached to the winding, which encompass the winding in sections and fix / stabilize it in position and
  • the end pieces are preferably made of plastic and can
  • Devices for example. Have a transverse rib to prevent a winding from twisting out.
  • the flat structure can be held as a tubular structure by a carrier through which the fluid flows.
  • the holder can be designed as a carrier so that it has a plurality of guide rods arranged on a pitch circle, which alternately from
  • heating cores preferably of the type described above, can be combined in parallel to form a fluid heater.
  • retaining eyelets can be formed.
  • these retaining eyelets can be made from the same material as the wire of the heating element during the production of the mesh structure. In principle, however, it is also possible to use such eyelets or retaining straps made of another high-strength material,
  • aramid threads for example from aramid threads.
  • the holder or the frame for the flat structure can also be formed as a plastic molded frame by means of plastic extrusion coating. It will
  • wound flat structures are fixed in position.
  • the fluid heater is as
  • the sheet-like structure used insulated wire can be designed as a stranded bundle of several insulated individual wires, the heating circuits then being through corresponding
  • the insulated individual wires can be controlled independently of one another.
  • insulated wire can also be designed in the form of litz wires, a plurality of non-insulated wire cores being stranded and surrounded by a common insulation.
  • a single wire (wire core) is provided with insulation.
  • the fabric can be manufactured by varying e.g. the mesh size or mesh density can be optimized with regard to the optimal thermal, electrical power, a predetermined resistance or a desired weight per unit area or corresponding parameters. This is for example in the industrial
  • Resistance measurement is integrated and the manufacturing process is ended when a target resistance is reached.
  • Functional elements such as temperature sensors or connection elements can be integrated into the planar structure during the production of the planar structure.
  • holding elements for fixing the position of the sheet-like structure on the aforementioned frame or the like are preferably also formed, so that post-processing is minimal.
  • FIG. 1 exemplary embodiments of a fluid heater designed as an air heater and as a liquid heater
  • FIG. 2 shows a flat structure of a heating element of the air heater according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the flat structure from FIG. 2 clamped in a frame
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a sheet-like structure
  • FIG. 5 shows a variant of the exemplary embodiment according to FIG. 3, four segments being connected in series one behind the other;
  • FIG. 6 shows the planar structure according to FIG. 5 in a folded state
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment in which the flat structure is designed with four segments which are connected in parallel
  • FIG. 8 shows the flat structure according to FIG. 7 in a folded state
  • FIGS. 9 to 13 production steps for the production of a fluid heater with a flat structure according to FIG. 6;
  • FIG. 14 shows a flat structure of a fluid heater designed as a liquid heater according to FIG. 1b, the flat structure being designed as a winding;
  • FIG. 15 shows the winding of the liquid heater from FIG. 14 with attached end pieces
  • FIG. 16 shows a heater core with a flat structure according to FIGS. 14 and 15;
  • FIG. 17 shows a support for a heater core of a further exemplary embodiment of a liquid heater according to FIG. 1 b);
  • FIG. 18 shows the carrier according to FIG. 17 with a flat structure attached to it;
  • FIG. 19 shows a heater core with a flat structure according to FIG. 18;
  • FIGS. 20 to 25 assembly steps in the production of a liquid heater according to FIG. 1 b) starting from a heater core according to FIGS. 16 or 19.
  • the fluid heater 1 described below can, for example, as
  • HV high-voltage
  • the fluid heater 1 both in the embodiment as an air heater and in the embodiment as a liquid heater, has a with a
  • Flat structure 4 executed heating element 2, the basic structure of which is shown in FIG. Accordingly, the flat structure 4, for example as a knitted fabric,
  • an industrial machine such as a knitting machine.
  • this flat structure is designed as a mesh structure or knitted fabric, it being possible for this knitted fabric to be flat - as shown in FIG. 2 - or in any desired 3D shape, for example hose-like.
  • the medium to be heated flows through meshes 6 of the planar structure 4, the manufacturing process
  • the flat structure 4 can, as shown in FIG. 2 top right, be formed from one or more insulated wires 7, a wire core 8, ie the actual uninsulated wire, for example made of Cu, Al, CuNi or carbon fibers.
  • a wire core 8 ie the actual uninsulated wire, for example made of Cu, Al, CuNi or carbon fibers.
  • the wire core 8 is provided with an insulation 10 which
  • insulated wire 7 is formed for example by a lacquer, a coating or the like and thus forms the insulated wire 7.
  • varnishes or coatings have proven to be particularly suitable. Paints can be made on a PU or PEI basis and applied by dipping or pulling through. Coverings can be made, for example, based on PEEK and by means of extrusion or
  • the insulation thickness is between 5 pm and 100 pm, for example.
  • a variant of an insulated wire 7 is shown which, as a strand 12, consists of a plurality of individual wire cores 8, which are then in turn surrounded by insulation 10.
  • FIG. 2 at the bottom right, a variant can be seen in which several insulated wires 7, consisting of wire cores 8 and insulations 10, are stranded (twisted) to form a bundle 13 of insulated wires 7.
  • Such an element, designed as a bundle 13 of insulated wires 7, opens up the possibility of forming several heating circuits by making contact with the individual wires.
  • the mesh size can vary within the exemplary embodiments described, so that, for example, an adaptation to the flow profile is made possible. It is also possible to create multiple fleece circles by interconnecting multiple individual fleece elements 2 or through a corresponding design of the
  • two end sections of the sheet-like structure 4 are designed as electrical connections 14, 16, which are led out laterally and via which contact is made with the power supply / power electronics.
  • this electrical contact can be made very simply by removing the prescribed insulation 10 mechanically, thermally or chemically (etching).
  • the flat structure 4 is clamped in a frame-shaped structure or some other holder.
  • holders for example eyelets 18, 20, 22, are formed on the circumference of the sheet 4 according to FIG. 2 and are used for fixing to the frame / flinder.
  • These eyelets 18, 20, 22 are preferably designed in such a way that thermal and electrical insulation of the sheet-like structure 4 from the outside, in particular from the frame / folder, takes place.
  • eyelets 18, 20, 22 can be formed, for example, during the knitting process by a multitude of loops 24 made of a suitable thread material, for example aramid, and integrated during the formation of the sheet 4 or sewn to the sheet 4 in a further operation. Instead of a large number of individual loops 24, however, the eyelets 18, 20, 22 can themselves also be designed as a mesh structure.
  • a suitable thread material for example aramid
  • FIG. 2 on the right, another variant is indicated in which, preferably reinforced, thimbles 26 are formed on the flat structure 4 during the knitting process, which then receive corresponding holding means for attachment to the frame / flinder.
  • thimbles 26 are formed on the flat structure 4 during the knitting process, which then receive corresponding holding means for attachment to the frame / flinder.
  • the flat structure 4 - as mentioned - is designed as a flat mesh structure on a flat knitting machine.
  • the eyelets 18, 20, 22 can then be formed on three circumferential edges of the rectangular shape shown as an example.
  • a frame 28 can be designed as a U-shaped carrier so that it penetrates the eyelets 18, 20, 22 which are arranged at right angles to one another.
  • the introduction of the frame 28 is particularly simple if it consists of three frame elements 30a, 30b, 30c, which are then connected to one another to form the frame 28 after being inserted into the respective eyelet. This can be done, for example, by means of a plug connection or also a material connection.
  • a yoke 32 which closes the frame structure, is then placed on the free end sections of the frame elements 30a, 30c that protrude upward in FIG.
  • the geometry of the frame 28 is designed in such a way that the flat structure 4 is stretched in such a way that it maintains the predetermined shape during the flow and heating.
  • the frame 28 can also be implemented by overmolding the sheet-like structure 4. As explained at the outset, this is placed in a plastic injection molding tool, the cavity being designed in such a way that the edge regions of the flat structure 4 are injection molded with a suitable plastic material. This encapsulation is preferably carried out in such a way that the electrical contact can be made in the area of this frame. After the overmolding, the flat structure 4 is reliably positioned in the frame 28 so that it can withstand high flow speeds. With such an encapsulation, by suitable design of the
  • FIG. 4 shows a simplified exemplary embodiment in which the planar structure 4 is formed with only two eyelets 18, 20 in the form described above.
  • a flat structure 4 opens up the possibility shown in Figure 5, a A large number of such flat structures 4, 4 ', 4 ", 4'” to be arranged in series one behind the other.
  • This serial arrangement can be produced in a single production process, for example a knitting process, so that the entire
  • Reference numerals 34, 36 is provided.
  • each flat structure 4 4 20, 4 “, 4‘ "two eyelets 18, 20; 18 ‘, 20‘; 18 “, 20” or 18 ‘", 20 ‘” assigned.
  • This structure makes it possible, by folding according to FIG. 6, to form a comparatively large heat exchange surface with a minimal flow cross section.
  • the folding takes place in the area of the interruptions 34, 36, the folding taking place along the connecting line of the associated interruptions 34, 36 between the eyelets 18, 20.
  • the sections of the planar structure 4 extending between the interruptions 34, 36 then form apices 38, 40, 42 along which the planar structure is deflected.
  • the course of these vertices 38, 40, 42 is indicated by dashed lines in FIG. With such a fold, the eyelets 18, 18 ‘, 18", 18 ‘", 20, 20 ‘, 20”, 20 ‘” then run perpendicular to the vertices 38, 40, 42.
  • the heating element 2 according to FIG. 6 is only designed with two electrical connections 14, 16 which, for example, lead out of the fold in the area of the apex 40 at the top (view according to FIG. 6).
  • FIG. 7 shows a variant in which the heating element 2 forms four heating circuits by connecting the flat structures 4, 4 ', 4 ", 4'” in parallel.
  • the heating element 2 forms four heating circuits by connecting the flat structures 4, 4 ', 4 ", 4'” in parallel.
  • each surface structure 4, 4 ', 4 ", 4'” has two electrical connections 14, 16; 14 ', 16'; 14 ", 16” or 14 '", 16'", which are connected to the power electronics and can therefore be individually controlled to adjust the heating output.
  • the strip-shaped structure shown in FIG. 7 can also be carried out in a single knitting process. In principle, however, it is also possible to connect individual components according to FIG. 4 to one another in a work step following the knitting process, this connection also being possible using a knitting or sewing machine.
  • this strip-shaped structure is then folded along the connecting strips 44, 46, 48 so that the individual flat structures 4, 4 ‘, 4 ′′, 4‘ ′′ are arranged parallel to one another.
  • the vertically folded connecting strips 44, 46, 48 and the eyelets, of which only those of the flat structure 4 are provided with the reference numerals 18, 20, run parallel to one another.
  • two electrical connections are assigned to each sheet 4, 4 ‘, 4 ′′, 4‘ ′′, with only the
  • the heating element 2 can thus be connected to different ones in a very simple manner
  • Embodiment the heat exchange surface by the folding of a serially executed strip-shaped flat structure 4 consisting of four segments designed according to FIG.
  • the electrical contact is made correspondingly via only two electrical connections 14, 16.
  • the construction of the heating element 2 according to FIG. 9 corresponds to that according to FIG. 6, so that further explanations
  • a frame 28 is used for clamping according to Figure 10, which engages in this parallel arrangement of the eyes.
  • the frame 28 is designed as a wire bending element.
  • a machining or primary shaping e.g. Plastic injection molded frames can be used.
  • the frame 28 similar to the variant according to FIG. 3, has an approximately U-shaped design in the overall structure.
  • a base 50 of the frame 28 is formed by two parallel wire struts 52, 54, for example end sections of the wire resting against one another in a joint 56 so that a practically closed structure is formed.
  • the two U-legs 58, 60 each form four frame struts 62a, 62b, 62c, 62d, or 64a, 64b, 64c, 64d, which each dip into one of the aforementioned eyelets 18, 20 of the sheet-like structure 4 and thus span it.
  • Each of the frame struts 62, 64 is formed by a 180 ° deflection of the wire in the respective area.
  • the detail A shows the structure of the overhead vertices 66 of the respective frame struts 62, 64. From this illustration it can be seen that the wire in the vertex area is bent so far that the
  • the apex area 66 and wire sections 68, 70 extending away from the apex area lie next to one another or are arranged at a small distance from one another, the dimension corresponding to twice the wire diameter d corresponding to the clear width of the eyelets 18, 20 described above and thus the frame struts 62, 64 each in one of the eyelets 18, 20 immerse precisely.
  • the length I of the frame struts 62, 64 corresponds to the length of the eyelets 18, 20.
  • the wire forming the frame struts 62, 64 is also bent over in a U-shape in the area of the base 50, the deflections 72, 74 occurring there, according to detail B, the transition area between the adjacent ones
  • the clear width A between the wire sections forming an apex 72, 74 corresponds to the distance A between two adjacent eyelets 18, 20 of the folded heating element (see FIG. 9).
  • the wire sections arranged centrally in detail B and lying against one another again have the dimension 2d, which corresponds to the eyelet width (see FIG. 9).
  • Frame struts 62, 64 threaded into the corresponding eyelets 18, 20 so that the apices 66 of the frame struts 62, 64 protrude upwards.
  • the reinforcement via the flange 76 ensures sufficient bracing of the flat structure 4 (4 4, 4 ′′, 4 ′′).
  • the position can be fixed, for example, by clamping or in some other way non-positively and / or positively.
  • the electrical connections 14, 16 are connected to contact tongues 78, 80, via which contact is made with the power electronics.
  • a ground bolt 82 is also embodied on the flange 76, which is contacted, among other things, with the frame struts 62, 64 via a ground bridge 83.
  • a contact surface 84 is also indicated by dashed lines, on which, for example, switching elements (MosFet’s) of the adjacent
  • the reference numeral 86 denotes bores through which the fluid heater can be fastened in a flow channel, for example in an air channel of an air conditioning box of an air conditioning system.
  • the power electronics with the switching and control elements are then placed on the flange 76 and covered by an electronics housing 88.
  • a high-voltage plug 90 for power supply and a low-voltage plug 92 for connecting control lines are also attached to this.
  • two heating circuits are provided, each of which is designed with a flat structure 4, 4 ‘that is designed as a winding 94.
  • the flat structure 4, 4 ' is rolled up to form the approximately spiral-shaped winding so that the individual winding layers 93, 95 are in contact with one another and thus stabilize one another in the radial direction.
  • a very simple adaptation to different pipe diameters is made possible by a corresponding design of the winding 94.
  • the electrical contact is made, as in the exemplary embodiments described above, via the electrical connections 14, 16 or 14, 16 ‘.
  • the contact can also be made in that at least one of the connections (in FIG. 14, the connection 16 haft, for example) is led out of the winding 94 approximately in the axial direction.
  • the end pieces 96, 98 form an inlet 100 or an outlet 102 for the medium (liquid) to be heated, the connection to a pipeline or a liquid collector / distributor taking place via a connection pipe 104a, 104b.
  • a transverse rib 105 is formed in each case, which prevents the winding 94 from turning out due to the flow forces.
  • a section of the connecting pipes 104a, 104b carrying the transverse rib 105 is via a
  • Inner shoulder 107 downgraded.
  • the outer circumference of the connecting pipes 104a, 104b which is designed, for example, as a sealing surface, is stepped back via an annular end face 106a, 106b, so that a support collar 108a, 108b is formed on each end piece 96, 98, from which the positioning ribs 99a and 99b extend in an axially parallel direction towards the
  • Windings of the sheet 4, 4, extend.
  • the envelope of the positioning ribs 99 has the same diameter as the support collar 108.
  • a fluid guide tube 110 is then mounted between the end pieces 96, 98 in the area between the annular end faces 106a, 106b, the end face being supported on the annular end faces 106a, 106b, the
  • the outer diameter of the fluid guide tube 110 corresponds to the outer diameter of the connecting tubes 104a, 104b.
  • the fluid guide tube 110 can be divided in the longitudinal direction in order to facilitate the insertion between the end pieces 96, 98.
  • the result is an as Heating core 1 12 executed heating element 2, which can be used as a modular component of a fluid heater 1 in the manner described below.
  • a further variant of a fluid heater 1 for heating liquid media is explained with reference to FIGS. 17 to 19.
  • the heating element 2 is again designed with a flat structure 4 which is produced as a flat knitted fabric on an industrial textile machine.
  • a planar planar structure 4 instead of such a planar planar structure 4, a planar structure designed in any desired 3D shape can also be used.
  • a holder 114 which is a pipe structure in the broadest sense having.
  • This holder 114 in turn has two tubular end pieces 96, 98, which are made, for example, of plastic. It is assumed that the end piece 96 is arranged on the inlet side and the end piece 98 is arranged on the outlet side. The liquid to be heated accordingly flows through the inlet 100 into the holder 114 and out via an outlet 102.
  • each end piece 96, 98 When manufactured from plastic, each end piece 96, 98 is designed with a plurality of recesses 1 16, 1 18 in order to avoid material accumulations. In principle, these recesses 116, 118 can also form additional fluid channels arranged parallel to the central flow channel.
  • the basic structure of the two end pieces 96, 98 is essentially identical, so that only the structure of the end piece 96 is described below.
  • the outer end face of the end piece 96 is designed as a sealing surface 120 and stepped back relative to the outer circumference of the end piece 96 so that the holder 114 with the heating element 4 described below can be attached to the respective flow channel in a sealing manner.
  • the end pieces 96, 98 can also be designed according to the above-described FIGS. 14 to 16.
  • the mutually facing end sections of the end pieces 96, 98 are also stepped back and each form the support collar 108 which is immersed in a fluid guide tube (see the following explanations). This is then supported on the front side on one
  • the aforementioned recesses 118 open into the end face of the support collar 108.
  • a plurality of guide rods 122 extend on a common pitch circle, which are fastened in the respective support collar 108 of the end pieces 96, 98 and encompass the inlet 100 and the outlet 102.
  • a retaining ring 124 is arranged approximately in the middle between the two end pieces 96, 98, through which the guide rods 122 pass.
  • the guide rods 122 can also be designed in two parts, with one part from the end piece 96 to the retaining ring 116 and the other part from the
  • Retaining ring 1 16 extends to the end piece 98.
  • the retaining ring 124 is also designed with recesses 118.
  • the outer diameter of the retaining ring 128 corresponds to the outer diameter of the two support collars 108 of the end pieces 96, 98.
  • the flat structures 4, 4 ' are stretched in that, according to the sketch shown at the top right, the flat structure 4 alternately wraps around adjacent guide rods 122, 122', so that, for example, the flat structure 4 is located radially on the inside with one guide rod 122 and with the adjacent guide rod 122 'is arranged radially on the outside. Through this wrap, which is through a corresponding
  • Frictional engagement between the flat structure 4 and the guide rods 122 can be increased, a reliable positional fixing of the flat structure 4 is guaranteed.
  • additional tensioning elements can be provided in order to keep the sheetlike structure 4 tensioned on the holder 114.
  • the two in 18, the end sections 126, 128 of the flat structures 4, 4 'shown above can then be fixed in a suitable manner on the holder 114 in order to secure the tensioned position.
  • the electrical contacting of the flat structures 4, 4 'takes place in turn via their electrical connections 14, 16, 14', 16 '.
  • a fluid guide tube 110 is attached according to FIG. 19, which extends between the two end pieces 96, 98.
  • the fluid guide tube 110 can, for example, as mentioned, be designed to be divided, so that assembly in the constellation according to FIG. 16 or 18 is simplified.
  • an end piece 96, 98 can also be made in several parts, so that the fluid guide tube 110 can be pushed on axially and the frontal position fixing is then carried out by a closing element placed on the respective end piece in a further assembly step
  • the heater core 1 12 formed in this way is in the direction of the arrow from the to
  • heating liquid flows through, so that it has the predetermined temperature at the outlet 102.
  • FIG. 1 A corresponding embodiment is shown in FIG.
  • the above-described heater core 112 which in the exemplary embodiment according to FIG. 20 is designed with only one heating circuit, is connected to a fluid distributor 130
  • the fluid distributor 130 is connected to the fluid system of a vehicle via a pipe socket 132.
  • the pipe socket 132 can be equipped with a screw flange according to FIG or also be designed with a quick release, which is a simple
  • the fluid distributor 130 On the heating core side, the fluid distributor 130 has a distributor flange 134 which forms four fluid distributor outlets 136, of which only one has one
  • Each fluid distributor outlet 136 is designed such that the respective heater core 112 can be inserted in a sealing manner.
  • the seal can be made by means of an O-ring, not shown.
  • the heater core 112 can also be inserted in a materially bonded manner or by being press-fitted.
  • the fluid distributor outlet 136 is designed as a sealing collar into which the adjacent end piece 96 of the respective heating core 112 is inserted.
  • Power electronics provided so that their heat can be given off to the fluid to be heated.
  • the arrangement according to FIG. 22 is then enclosed, as shown in FIG.
  • the housing 146 is in the form of a jacket on the fluid distributor 130 and the
  • Fluid collector 140 attached and connected to it via tie rod 148.
  • the outer contour of the fluid distributor 130 of the fluid collector 140 is approximately rectangular, so that a rectangular housing 146 is also formed accordingly.
  • the electrical connections 14, 16, 14 ', 16' extend through the housing 146, which is open towards the top (view according to FIG. 23).
  • the spaces between the heating cores 112a, 112b, 112c, 112d can be filled with an insulating material within the housing 146 so that, on the one hand, thermal insulation takes place and, on the other hand, vibrations are prevented.
  • connections 14, 16 extend upward out of the
  • FIG. 24 (View according to Figure 23) open housing 146 out.
  • an electronic circuit board 150 of the power electronics is placed in the area of the housing opening.
  • the electronics circuit board 150 is shown in Figure 24 without equipment.
  • the aforementioned electrical connections 14, 14 ‘, 14", 14 ‘"; 16, 16 ‘, 16 ′′, 16 ′′ of the heating cores 112a, 112b, 112c, 112d are in contact with the electronics board 150, as indicated in FIG.
  • the electronics housing 88 with the low-voltage connector 92 and the high-voltage connector 90 is then put on in accordance with FIG. 25, as in the case of the above-described air heater, and connected to the housing 146 in a suitable manner.
  • the two plugs 90, 92 are fastened to the electronics housing 88 via suitable fastening means (not shown).
  • a ground bolt can optionally be provided (not shown), via which metallic components are connected to ground.
  • the electronics housing 88 of the above-described fluid heater 1 can be made of
  • a fluid heater in which a heating element is formed as a flat structure from an insulated wire or the like.

Abstract

Offenbart ist ein Fluidheizer, bei dem ein Heizelement als Flächengebilde aus einem isolierten Draht oder dergleichen gebildet ist.

Description

Fluidheizer und Verfahren zu dessen Herstellung Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Fluidheizer zum Erwärmen eines Fluids, vorzugsweise Luft oder Flüssigkeit und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Derartige Fluidheizer werden beispielsweise als Zuheizer zur Lufterhitzung in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen oder auch zur Erwärmung von Flüssigkeiten, beispielsweise Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf oder von Kraftstoff verwendet.
Der Grundaufbau eines derartigen Fluidheizers ist beispielsweise in der auf die Anmelderin zurückgehenden EP 2 287 541 A2 beschrieben. Demgemäß hat ein derartiger Fluidheizer ein von dem zu erwärmenden Fluid durchströmtes, Wärme abgebendes elektrisches Heizelement, das bei diesem Stand der Technik als
Blechstanzbiegeteil oder aber auch als Drahtgewirk ausgeführt sein kann. Dabei wird vorgeschlagen, dieses Gewirk, beispielsweise durch Umspritzen, in Kunststoff einzubetten, so dass die das Gewirk bildenden Drähte isoliert sind und das
aufzuwärmende Medium das derart ausgeführte Heizelement umströmt.
Nachteilig bei einer derartigen Lösung ist, dass die Herstellung des Gewirks mit dem anschließenden Umspritzen aufwendig ist, wobei es insbesondere schwierig ist, die vorbestimmte Gewirkstruktur während des Umspritzens aufrecht zu halten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Wärmeaustauschfläche relativ gering ist und zudem das Heizelement aufgrund der Kunststoffhülle sehr stark thermisch isoliert und somit der thermische Wirkungsgrad vergleichsweise gering ist.
In den Patentanmeldungen WO 2018/215546 A1 , WO 2018/215541 A1 und DE 10 2017 121 063 A1 ist ein Fluidheizer offenbart, bei dem - ähnlich wie bei der vorbeschriebenen Lösung - ein Heizelement durch eine Polymerstruktur ausgebildet ist, in die eine leitfähige Struktur integriert ist. Diese kann beispielsweise ein Metallschaum oder ein Polymerschaum oder auch ein Metallgewirk oder Metallgestrick sein.
Diese Lösung zeigt die gleichen Nachteile wie der in dem Stand der Technik gemäß der EP 2 287 541 A2 offenbarte Fluidheizer.
Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Fluidheizer zu schaffen, der bei geringem vorrichtungstechnischem Aufwand ein zuverlässiges
Erwärmen eines Fluids ermöglicht. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen Fluidheizer mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 17 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Fluidheizer zum Erwärmen eines Fluids, vorzugsweise Luft oder Flüssigkeit, hat ein von diesem Medium durchströmtes wärmeerzeugendes
Heizelement, das im Prinzip aus zumindest einem mit einer Isolierung versehenem Draht besteht, der in Form eines Flächengebildes ausgeführt ist und an einem Träger gehalten sein kann. Textile Flächengebilde (im Folgenden vereinfacht als
„Flächengebilde“ bezeichnet) können dabei als Maschengebilde, wie beispielsweise Gewirke oder Gestricke, als Kreuzgebilde, wie beispielsweise Gewebe oder Geflechte, als Gelege oder nach Art einer Stahlwolle (ungeordnete Drahtstruktur) oder nach Art eines Vliesstoffes ausgebildet sein.
Unter dem Begriff„Träger“ wird jedwede Struktur zur Abstützung oder Halterung des Flächengebildes verstanden. Dieser Träger kann beispielsweise ein Rahmen, ein Halter oder ein sonstiges, das Flächengebilde abstützendes Element, wie
beispielsweise ein Fluidleitrohr sein. Die Wärme wird direkt über den elektrisch beheizten Draht abgegeben, wobei die Betriebssicherheit aufgrund der Isolierung des Drahtes gewährleistet ist. Derartige Flächengebilde haben gegenüber den eingangs beschriebenen Lösungen den Vorteil, dass zum einen der Druckabfall bei der Durchströmung minimal ist und zum anderen eine vergleichsweise große Wärmeaustauschfläche bereitgestellt wird. Des Weiteren ist das Heizelement aufgrund der dünnen Isolierung des Drahts oder der Drähte nur sehr gering thermisch isoliert, so dass ein schnelles Erwärmen des Mediums gewährleistet ist.
Ein derartiges Flächengebilde gewährleistet zudem eine homogene
Temperaturverteilung. Die Kontaktierung des vollisolierten Heizelementes kann sehr einfach durch partielles Entfernen der Isolation des Drahts bzw. der Drähte erfolgen.
Der Betrieb ist sowohl im Niedervolt- als auch im Hochvoltbereich und mit Gleich oder Wechselspannung möglich. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der elektrische Widerstand bzw. die elektrische Topologie sehr einfach anpassbar ist, so dass entsprechend auch die übertragene Leistung skalierbar ist. Aufgrund der geringen thermischen Masse des Flächengebildes ist schnelles Erwärmen oder Abkühlen (nach stromlos schalten) gewährleistet und somit ein Betrieb mit geringer Energie ermöglicht. Dies ist insbesondere bei mobilen Anwendungen wesentlich.
Der Spannungsabfall über die benachbarten, aneinander anliegenden Drähte ist gering, so dass auch ein lokaler Kurzschluss unproblematisch ist und die Brandlast im Versagensfall gering ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Flächengebilde (Gewirk, Gestrick, Geflecht, Gewebe, Vlies) mittels einer industriellen Textilmaschine als ebenes Element oder als geschlossener oder beliebiger 3D-Formkörper ausgebildet, wobei letzterer beispielsweise in Form eines Hohlzylinders ausgeformt sein kann.
Die vorbeschriebenen Flächengebilde können zur Vergrößerung der
Wärmeaustauschfläche gefaltet oder zu einem sonstigen Formkörper gebogen werden. Die Herstellung des Fluidheizers ist besonders einfach, wenn der oder die Drähte aus Cu, AI, CuNi, Kohlefaser oder einem sonstigen, für die Herstellung von
Heizelementen geeigneten Material besteht. Diese Rohmaterialien sind ein verbreiteter Industriestandard, so dass die Herstellkosten gering sind. Die Verwendung von Kupfer hat den Vorteil, dass dieses Material einen gewissen PTC-Effekt aufweist, so dass die Betriebssicherheit durch die Vergrößerung des Widerstandes bei einer übermäßigen Temperaturerhöhung gewährleistet ist.
Bei einer besonders einfach aufgebauten Variante ist die Isolierung durch einen Lack oder eine sonstige Beschichtung gebildet. Dabei kann dieser Lack bzw. die Beschichtung PU-, PEI-, oder PEEK-basierend ausgeführt sein.
Der Fluidheizer kann in mehreren Heizstufen betrieben werden, wenn das Flächengebilde derart ausgeführt ist, dass zwei oder mehr Heizkreise gebildet sind.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das Flächengebilde in einen den Träger ausbildenden Rahmen eingespannt.
Bei einer alternativen Lösung kann das Flächengebilde zu einer Wicklung aufgerollt und beispielsweise in ein Fluidleitrohr eingebracht sein, so dass ein durchströmter Heizkern gebildet ist.
Gemäß einer Weiterbildung sind an die Wicklung Endstücke angesetzt, die die Wicklung abschnittsweise umgreifen und diese lagefixieren/stabilisieren und
beispielsweise einen Aufnahmeraum für das Fluidleitrohr bilden.
Die Endstücke sind vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt und können
Einrichtungen, bspw. eine Querrippe zum Verhindern des Ausdrehens einer Wicklung aufweisen.
Bei einer weiteren alternativen Lösung kann das Flächengebilde als rohrartige Struktur von einem vom Fluid durchströmten Träger gehalten werden. Dabei kann der Halter als Träger so ausgeführt sein, dass er eine Vielzahl von auf einem Teilkreis angeordneten Führungsstäben hat, die wechselweise vom
Flächengebilde über- oder Untergriffen sind und die dann von einem Fluidleitrohr nach außen abgedichtet sind, so dass ebenfalls ein durchströmter Heizkern gebildet ist.
Zur Erhöhung der Heizleistung kann es vorgesehen sein, mehrere Heizkerne, vorzugsweise der vorbeschriebenen Art, in Parallelstellung zu einem Fluidheizer zusammenzufassen.
Zur Befestigung des oder der Flächengebilde an dem Halter oder an dem Rahmen können Halteösen ausgebildet sein. Diese Halteösen können bei einer Variante während der Herstellung des Maschengebildes aus dem gleichen Material wie der Draht des Heizelementes ausgeführt sein. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, derartige Ösen oder Haltelaschen aus einem anderen hochfesten Material,
beispielsweise aus Aramidfäden herzustellen.
Alternativ kann der Halter oder der Rahmen für das Flächengebilde auch mittels Kunststoff-Umspritzung als Kunststoffformrahmen gebildet sein. Dabei wird das
Flächengebilde aufgespannt, in ein Kunststoff-Spritzwerkzeug eingelegt und dessen Randbereiche zur Bildung des tragenden Rahmens umspritzt. Vorteilhaft kann dann die elektrische Kontaktierung im Umspritzbereich realisiert werden. Durch ein
abschnittsweise Umspritzen können auch 3D-Flächengebilde, beispielsweise
gewickelte Flächengebilde, lagefixiert werden.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Fluidheizer als
Hochvoltheizer ausgeführt.
Zur Ausbildung mehrerer Heizkreise kann der zur Herstellung des
Flächengebildes verwendete isolierte Draht als verlitztes Bündel mehrerer isolierter Einzeldrähte ausgebildet sein, wobei dann die Heizkreise durch entsprechende
Kontaktierung der Einzeldrähte ausgebildet sind. Bei einer derartigen Lösung sind die isolierten Einzeldrähte unabhängig voneinander ansteuerbar. Prinzipiell kann der isolierte Draht jedoch auch litzenförmig ausgebildet sein, wobei eine Vielzahl von nicht isolierten Drahtseelen verlitzt ist und von einer gemeinsamen Isolierung umgeben wird.
In der einfachsten Ausführung ist ein Einzeldraht (Drahtseele) mit einer Isolierung versehen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Fluidheizers kann beim Fertigen das Flächengebilde durch Variation z.B. der Maschenweite oder Maschendichte im Hinblick auf die optimale thermische, elektrische Leistung, einen vorbestimmten Widerstand oder ein erwünschtes Flächengewicht oder entsprechende Kenngrößen optimiert werden. Dabei ist beispielsweise in die industrielle
Textilmaschine ein geeigneter Messaufnehmer, beispielsweise zur
Widerstandsmessung integriert und der Fertigungsvorgang wird beendet, wenn ein Sollwiderstand erreicht ist.
Bei der Herstellung des Flächengebildes können Funktionselemente, wie beispielsweise Temperaturfühler oder Anschlusselemente in das Flächengebilde integriert werden. Bei dieser Herstellung werden vorzugsweise auch Halteelemente zur Lagefixierung des Flächengebildes an dem vorgenannten Rahmen oder dergleichen ausgebildet, so dass die Nachbearbeitung minimal ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Ausführungsbeispiele eines als Luftheizer und als Flüssigkeitsheizer ausgeführten Fluidheizers;
Figur 2 ein Flächengebilde eines Heizelements des Luftheizers gemäß Figur 1 ;
Figur 3 das Flächengebilde aus Figur 2 in einen Rahmen eingespannt;
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Flächengebildes;
Figur 5 eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 3, wobei vier Segmente seriell hinter einander geschaltet sind;
Figur 6 das Flächengebilde gemäß Figur 5 in einem gefalteten Zustand;
Figur 7 ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Flächengebilde mit vier Segmenten ausgeführt ist, die parallel verschaltet sind;
Figur 8 das Flächengebilde gemäß Figur 7 in einem gefalteten Zustand; Figuren 9 bis 13 Fertigungsschritte zur Herstellung eines Fluidheizers mit einem Flächengebilde gemäß Figur 6;
Figur 14 ein Flächengebilde eines als Flüssigkeitsheizer gemäß Figur 1 b ausgeführten Fluidheizers, wobei das Flächengebilde als Wicklung ausgeführt ist;
Figur 15 die Wicklung des Flüssigkeitsheizers aus Figur 14 mit angesetzten Endstücken;
Figur 16 einen Heizkern mit einem Flächengebilde gemäß den Figuren 14 und 15;
Figur 17 einen Träger eines Heizkerns eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Flüssigkeitsheizers gemäß Figur 1 b);
Figur 18 den Träger gemäß Figur 17 mit einem daran befestigten Flächengebilde;
Figur 19 einen Heizkern mit einem Flächengebilde nach Figur 18;
Figuren 20 bis 25 Montageschritte bei der Herstellung eines Flüssigkeitsheizers gemäß Figur 1 b) ausgehend von einem Heizkern gemäß den Figuren 16 oder 19.
Die im Folgenden beschriebenen Fluidheizer 1 können beispielsweise als
Luftheizer oder als Flüssigkeitsheizer ausgeführt sein. Figur 1 a) zeigt ein
Ausführungsbeispiel eines Hochvolt(HV)-Luftheizers. In Figur 1 b) ist ein HV- Flüssigkeitsheizer dargestellt. Im Folgenden wird der Grundaufbau dieser Fluidheizer 1 und deren Herstellung erläutert.
Sowohl in der Ausführungsform als Luftheizer als auch in der Ausführungsform als Flüssigkeitsheizer hat der erfindungsgemäße Fluidheizer 1 ein mit einem
Flächengebilde 4 ausgeführtes Heizelement 2, dessen Grundaufbau in Figur 2 dargestellt ist. Demgemäß ist das Flächengebilde 4, beispielsweise als Gewirk,
Gestrick, Gewebe oder Geflecht ausgeführt, das beispielsweise auf einer industriellen Maschine, wie beispielsweise einer Strickmaschine hergestellt ist. In Figur 2 ist lediglich ein Teilbereich der textilen Struktur des Flächengebildes 4 zeichnerisch angedeutet. Bei den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen ist dieses Flächengebilde als Maschengebilde bzw. Gestrick (Strickgewebe) ausgeführt, wobei dieses Strickgewebe flächig - wie in Figur 2 dargestellt - oder aber auch in einer beliebigen 3D-Form, beispielsweise schlauchartig ausgeführt sein kann. Das zu erwärmende Medium durchströmt Maschen 6 des Flächengebildes 4, wobei der Herstellvorgang
(Strickvorgang) so eingestellt ist, dass eine für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Maschenweite und ein damit einhergehender minimaler Druckabfall beim Durchströmen bei optimaler Wärmeübertragungsfläche eingestellt wird. Das Flächengebilde 4 kann, wie in Figur 2 oben rechts dargestellt, aus einem oder mehreren isolierten Drähten 7 ausgebildet werden, wobei eine Drahtseele 8, d.h. , der eigentliche unisolierte Draht, beispielsweise aus Cu, AI, CuNi oder Kohlefasern besteht. Prinzipiell ist bei der
Fierstellung jedes für Fleizdrähte verwendetes Material geeignet. Im Unterschied zu herkömmlichen Lösungen werden jedoch keine blanken Drähte verwendet, sondern erfindungsgemäß ist die Drahtseele 8 mit einer Isolierung 10 versehen, die
beispielsweise durch einen Lack, eine Beschichtung oder dergleichen ausgebildet ist und die so den isolierten Draht 7 bildet.
Für die Isolierung 10 haben sich dabei Lacke oder Beschichtungen als besonders geeignet herausgestellt. Lacke können dabei auf PU- oder PEI-Basis hergestellt sein und mittels Tauchen oder Durchziehen aufgetragen werden. Ummantelungen können beispielsweise auf PEEK-Basis hergestellt sein und mittels Extrusions- oder
Abscheidevorgängen aufgetragen werden.
Bei Hochvoltanwendungen beträgt die Stärke der Isolation beispielsweise zwischen 5 pm und 100 pm. In Figur 2 rechts mittig ist eine Variante eines isolierten Drahts 7 dargestellt, der als Litze 12 aus einer Vielzahl von einzelnen Drahtseelen 8 besteht, die dann wiederum von einer Isolierung 10 umgeben sind.
In Figur 2 rechts unten ist eine Variante zu sehen, bei der mehrere isolierte Drähte 7, bestehend aus Drahtseelen 8 und Isolierungen 10 zu einem Bündel 13 isolierter Drähte 7 verlitzt (verdrillt) sind. Ein derartiges, als Bündel 13 isolierter Drähte 7 ausgeführtes Element eröffnet die Möglichkeit, durch Kontaktierung der Einzeldrähte mehrere Heizkreise auszubilden.
Die Maschenweite kann innerhalb der beschriebenen Ausführungsbeispiele variieren, so dass beispielsweise eine Anpassung an das Strömungsprofil ermöglicht wird. Es können auch mehrere Fleizkreise auch durch Zusammenschalten mehrerer individueller Fleizelemente 2 oder durch entsprechende Ausgestaltung des
Flächengebildes 4 ausgebildet sein.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Endabschnitte des Flächengebildes 4 als seitlich herausgeführte elektrische Anschlüsse 14, 16 ausgeführt, über die die Kontaktierung mit der Stromzuführung/Leistungselektronik erfolgt. Diese elektrische Kontaktierung kann erfindungsgemäß sehr einfach dadurch erfolgen, dass die vorgeschriebene Isolierung 10 mechanisch, thermisch oder chemisch (ätzen) entfernt wird.
Wie im Folgenden erläutert, wird das Flächengebilde 4 in eine rahmenförmige Struktur oder einen sonstigen Halter eingespannt. Zur Befestigung werden am Umfang des Flächengebildes 4 gemäß Figur 2 Haltern ittel, beispielsweise Ösen 18, 20, 22 ausgebildet, die zur Fixierung an dem Rahmen/Flalter dienen. Diese Ösen 18, 20, 22 sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine thermische und elektrische Isolierung des Flächengebildes 4 nach außen hin, insbesondere zum Rahmen/Flalter erfolgt.
Diese Ösen 18, 20, 22 können beispielsweise beim Strickvorgang durch eine Vielzahl von Schlaufen 24 ausgebildet werden, die aus einem geeigneten Fadenmaterial, beispielsweise Aramid bestehen und während der Ausbildung des Flächengebildes 4 integriert oder aber in einem weiteren Arbeitsgang mit dem Flächengebilde 4 vernäht werden. Anstelle einer Vielzahl von Einzelschlaufen 24 können die Ösen 18, 20, 22 jedoch auch selbst als Maschengebilde ausgeführt sein.
In Figur 2 rechts ist noch eine Variante angedeutet, bei der am Flächengebilde 4 während des Strickvorgangs, vorzugsweise verstärkte, Kauschen 26 ausgebildet werden, die dann entsprechende Haltemittel zur Befestigung am Rahmen/Flalter aufnehmen. Mit einer derartigen Variante ist es beispielsweise möglich, einen
Aramidfaden spiralförmig durch die Kauschen 26 hindurchzuführen, um das
Flächengebilde 4 am Rahmen/Flalter zu verspannen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist das Flächengebilde 4 - wie erwähnt - auf einer Flachstrickmaschine als flächiges Maschengebilde ausgeführt. Bei der beispielhaft dargestellten Rechteckform können dann an drei Umfangskanten die vorbeschriebenen Haltemittel, beispielsweise die Ösen 18, 20, 22 ausgebildet werden.
Gemäß Figur 3 kann bei einem derartigen Ausführungsbeispiel als Träger ein Rahmen 28 U-förmig ausgeführt sein, so dass er die rechtwinklig zueinander angeordneten Ösen 18, 20, 22 durchsetzt. Das Einführen des Rahmens 28 ist besonders einfach, wenn dieser aus drei Rahmenelementen 30a, 30b, 30c besteht, die dann nach dem Einführen in die jeweilige Öse miteinander zum Rahmen 28 verbunden werden. Dies kann beispielsweise durch eine Steckverbindung oder aber auch eine stoffschlüssige Verbindung erfolgen. Auf die in Figur 3 nach oben hin auskragenden freien Endabschnitte der Rahmenelemente 30a, 30c wird dann ein Joch 32 aufgesetzt, das die Rahmenstruktur schließt. Die Geometrie des Rahmens 28 ist dabei so ausgelegt, dass das Flächengebilde 4 so aufgespannt wird, dass es während der Durchströmung und Aufheizung die vorbestimmte Form beibehält. Die
Durchströmungsrichtung ist in Figur 3 mit einem Pfeil angedeutet.
Bei einem vorrichtungstechnisch einfach ausgeführten Ausführungsbeispiel kann der Rahmen 28 auch durch Umspritzen des Flächengebildes 4 ausgeführt sein. Wie eingangs erläutert, wird dieses in ein Kunststoff-Spritzwerkzeug eingelegt, wobei die Kavität derart ausgeführt ist, dass die Randbereiche des Flächengebildes 4 mit einem geeigneten Kunststoffmaterial umspritzt werden. Dieses Umspritzen erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass die elektrische Kontaktierung im Bereich dieses Rahmens erfolgen kann. Nach dem Umspritzen ist das Flächengebilde 4 zuverlässig im Rahmen 28 positioniert, so dass es auch hohen Strömungsgeschwindigkeiten standhalten kann. Mit einem derartigen Umspritzen lassen sich durch geeignete Auslegung des
Werkzeugs unterschiedlichste Rahmengeometrien realisieren. Bei den folgenden Ausführungen werden auch gewickelte oder in sonstiger Weise ausgebildete 3D- Flächengebilde beschrieben. Prinzipiell ist es auch möglich, derartige Flächengebilde durch partielles Umspritzen lagezufixieren.
Figur 4 zeigt ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel, bei dem das Flächengebilde 4 lediglich mit zwei Ösen 18, 20 in der vorbeschriebenen Form ausgebildet ist. Ein derartiges Flächengebilde 4 eröffnet die in Figur 5 dargestellte Möglichkeit, eine Vielzahl derartiger Flächengebilde 4, 4‘, 4“, 4‘“ seriell hintereinanderliegend anzuordnen. Dabei kann diese serielle Anordnung in einem einzigen Herstellvorgang, beispielsweise einem Strickvorgang hergestellt sein, so dass das gesamte
Flächengebilde bestehend aus den Einzelsegmenten 4, 4‘, 4“, 4‘“ sozusagen
„durchgestrickt“ ist. Das heißt, die Herstellung der einzelnen Segmente erfolgt beginnend mit dem Flächengebilde 4 und endet mit der Herstellung des
Flächengebildes 4‘“. Dabei werden die Ösen 18, 20 nicht durchgehend ausgebildet, sondern im Übergangsbereich zwischen den vorbeschriebenen Segmenten sind jeweils Unterbrechungen 34, 36 ausgeführt, von denen in Figur 5 lediglich zwei mit dem
Bezugszeichen 34, 36 versehen ist.
Dem entsprechend sind an jedem Flächengebilde 4, 4‘, 4“, 4‘“ jeweils zwei Ösen 18, 20; 18‘, 20‘; 18“, 20“ bzw. 18‘“, 20‘“ zugeordnet. Diese Struktur ermöglicht es, durch eine Faltung gemäß Figur 6 eine vergleichsweise große Wärmeaustauschfläche bei einem minimalen Durchströmungsquerschnitt auszubilden. Bei diesem gefalteten Heizelement 2 erfolgt die Faltung im Bereich der Unterbrechungen 34, 36, wobei die Faltung entlang der Verbindungslinie der zugeordneten Unterbrechungen 34, 36 zwischen den Ösen 18, 20 erfolgt. Die sich zwischen den Unterbrechungen 34, 36 erstreckenden Abschnitte des Flächengebildes 4 bilden dann Scheitel 38, 40, 42 aus, entlang denen das Flächengebilde umgelenkt ist. Der Verlauf dieser Scheitel 38, 40, 42 ist in Figur 5 gestrichelt angedeutet. Bei einer derartigen Faltung verlaufen dann die Ösen 18, 18‘, 18“, 18‘“, 20, 20‘, 20“, 20‘“ senkrecht zu den Scheiteln 38, 40, 42.
Aufgrund der seriellen Anordnung ist das Heizelement 2 gemäß Figur 6 lediglich mit zwei elektrischen Anschlüssen 14, 16 ausgeführt die beispielsweise im Bereich des obenliegenden Scheitels 40 (Ansicht nach Figur 6) aus der Faltung herausgeführt sind.
Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Heizelement 2 lediglich mit einem Heizkreis ausgeführt. Figur 7 zeigt eine Variante, bei der das Heizelement 2 durch eine Parallelschaltung der Flächengebilde 4, 4‘, 4“, 4‘“ vier Heizkreise ausbildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind somit praktisch vier Flächengebilde 4 gemäß Figur 4 über drei Verbindungsstreifen 44, 46, 48 als streifenförmiges Heizelement 2 ausgebildet, wobei die einzelnen Flächengebilde 4, 4‘, 4“, 4‘“ in Parallelschaltung angeordnet sind. Dem entsprechend hat jedes Flächengebilde 4, 4‘, 4“, 4‘“ zwei elektrische Anschlüsse 14, 16; 14‘, 16‘; 14“, 16“ bzw. 14‘“, 16‘“, die an die Leistungselektronik angeschlossen sind und somit zur Anpassung der Heizleistung individuell ansteuerbar sind.
Jedes der Flächengebilde 4, 4‘, 4“, 4‘“ ist bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel mit jeweils zwei Ösen 18, 20, 18‘, 20‘, 18“, 20“ bzw. 18‘“, 20‘“ ausgeführt, die parallel zu den Verbindungsstreifen 44, 46, 48 verlaufen.
Die in Figur 7 dargestellte streifenförmige Struktur kann ebenfalls in einem einzigen Strickvorgang ausgeführt werden. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, einzelne Komponenten gemäß Figur 4 dann in einem sich an den Strickvorgang anschließenden Arbeitsgang miteinander zu verbinden, wobei diese Verbindung ebenfalls über eine Strick- oder Nähmaschine erfolgen kann.
Wie in Figur 8 dargestellt, wird diese streifenförmige Struktur dann entlang der Verbindungsstreifen 44, 46, 48 gefaltet, so dass die einzelnen Flächengebilde 4, 4‘, 4“, 4‘“ parallel zueinander angeordnet sind. Dem entsprechend verlaufen auch die scheitelförmig gefalteten Verbindungsstreifen 44, 46, 48 und die Ösen, von denen lediglich diejenigen des Flächengebildes 4 mit den Bezugszeichen 18, 20 versehen sind parallel zueinander. Wie vorstehend ausgeführt, sind jedem Flächengebilde 4, 4‘, 4“, 4‘“ jeweils zwei elektrische Anschlüsse zugeordnet, wobei in Figur 8 lediglich die
elektrischen Anschlüsse 14, 16 des Flächengebildes 4 mit Bezugszeichen versehen sind.
Durch Variation der Anzahl der Flächengebilde 4 und der Anzahl von Heizkreisen kann somit auf sehr einfache Weise das Heizelement 2 an unterschiedliche
Betriebsparameter (Wärmeaustauschfläche, Heizleistung, Druckverlust
(Strömungsgeschwindigkeit) angepasst werden.
Anhand der Figuren 9 bis 13 wird die Montage eines Fluidheizers 1 mit einem Heizelement 2 gemäß Figur 6 erläutert. Wie beschrieben, wird bei diesem
Ausführungsbeispiel die Wärmeaustauschfläche durch die Faltung eines seriell ausgeführten streifenförmigen Flächengebildes 4 bestehend aus vier Segmenten gemäß Figur 5 ausgebildet. Die elektrische Kontaktierung erfolgt entsprechend über lediglich zwei elektrische Anschlüsse 14, 16. Der Aufbau des Heizelements 2 gemäß Figur 9 entspricht demjenigen gemäß Figur 6, so dass weitere Erläuterungen
entbehrlich sind. Wie beschrieben, verlaufen die zum Aufspannen des Flächengebildes 4, 4‘, 4“, 4 ausgebildeten Ösen 18, 18‘, 18“, 18‘“, 20, 20‘, 20“, 20‘“ parallel
zueinander.
Dem entsprechend wird zum Aufspannen gemäß Figur 10 ein Rahmen 28 verwendet, der in diese Parallelanordnung der Ösen eingreift. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rahmen 28 als Drahtbiegeelement ausgeführt.
Selbstverständlich kann anstelle eines derartigen Drahtbiegeelementes auch ein spanend oder durch Urformen, z.B. Kunststoffspritzgießen ausgebildeter Rahmen verwendet werden.
Beim konkreten Ausführungsbeispiel ist der Rahmen 28, ähnlich wie die Variante gemäß Figur 3 in der Gesamtstruktur etwa U-förmig ausgeführt. Eine Basis 50 des Rahmens 28 ist dabei durch zwei parallel verlaufende Drahtstreben 52, 54 ausgebildet, wobei beispielsweise Endabschnitte des Drahts in einer Fuge 56 aneinanderliegen, so dass eine praktisch geschlossene Struktur ausgebildet wird. Die zwei U-Schenkel 58, 60 bilden jeweils vier Rahmenstreben 62a, 62b, 62c, 62d, bzw. 64a, 64b, 64c, 64d aus, die jeweils in eine der vorgenannten Ösen 18, 20 des Flächengebildes 4 eintauchen und somit dieses aufspannen.
Jede der Rahmenstreben 62, 64 ist durch eine 180°-Umlenkung des Drahts im jeweiligen Bereich ausgebildet. Das Detail A zeigt den Aufbau der obenliegenden Scheitel 66 der jeweiligen Rahmenstreben 62, 64. Aus dieser Darstellung erkennt man, dass der Draht im Scheitelbereich soweit umgebogen ist, dass die sich zum
Scheitelbereich 66 und vom Scheitelbereich weg erstreckenden Drahtabschnitte 68, 70 aneinander liegen oder in einem geringen Abstand zueinander angeordnet sind, wobei das dem zweifachen Drahtdurchmesser d entsprechende Maß der lichten Weite der vorbeschriebenen Ösen 18, 20 entspricht und somit die Rahmenstreben 62, 64 jeweils in eine der Ösen 18, 20 passgenau eintauchen. Die Länge I der Rahmenstreben 62, 64 entspricht der Länge der Ösen 18, 20.
Der die Rahmenstreben 62, 64 ausbildende Draht ist im Bereich der Basis 50 ebenfalls U-förmig umgebogen, wobei die dort entstehenden Umlenkungen 72, 74 gemäß dem Detail B den Übergangsbereich zwischen den benachbarten
Rahmenstreben 62a, 62b, 62c, 62d bzw. 64a, 64b, 64c, 64d ausbilden. Die lichte Weite A zwischen den einen Scheitel 72, 74 ausbildenden Drahtabschnitten entspricht dabei dem Abstand A zweier benachbarter Ösen 18, 20 des gefalteten Heizelementes (siehe Figur 9). Die im Detail B mittig angeordneten, aneinander liegenden Drahtabschnitte haben wiederum das Maß 2d, das der Ösenweite (siehe Figur 9) entspricht.
Der derart ausgeformte Rahmen 28 wird dann gemäß Figur 11 mit den
Rahmenstreben 62, 64 in die entsprechenden Ösen 18, 20 eingefädelt, so dass die Scheitel 66 der Rahmenstreben 62, 64 nach oben hin auskragen.
In einem in Figur 12 dargestellten Montageschritt wird dann das derart
ausgebildete Heizelement 2 in einen Flansch 76 eingesetzt, so dass die Endabschnitte der Rahmenstreben 62, 64 mit dem jeweiligen Scheitel 66 nach oben über den Flansch 76 überstehen und in diesem lagefixiert sind. Trotz der vergleichsweise elastischen Struktur des als Drahtbiegeteil ausgeführten Rahmens 28 ist durch die Versteifung über den Flansch 76 eine hinreichende Verspannung des Flächengebildes 4 (4‘, 4“, 4‘“) gewährleistet. Die Lagefixierung kann beispielsweise durch Verklemmen oder in sonstiger Weise kraft- und/oder formschlüssig erfolgen. Die elektrischen Anschlüsse 14, 16 werden mit Kontaktzungen 78, 80 verbunden, über die die Kontaktierung mit der Leistungselektronik erfolgt. In an sich bekannter Weise ist am Flansch 76 noch ein Massebolzen 82 ausgeführt, der über eine Massebrücke 83 unter anderem mit den Rahmenstreben 62, 64 kontaktiert ist.
In Figur 12 ist des Weiteren gestrichelt eine Anlagefläche 84 angedeutet, an der beispielsweise Schaltelemente (MosFet’s) der benachbart angeordneten
Leistungselektronik anliegen, so dass deren Wärme an das den Fluidheizer 1
durchströmende Medium abgegeben werden kann. Mit dem Bezugszeichen 86 sind Bohrungen bezeichnet, über die der Fluidheizer in einem Strömungskanal, beispielsweise in einem Luftkanal eines Klimakastens einer Klimaanlage befestigt werden kann.
In einem finalen Arbeitsschritt gemäß Figur 13 wird dann auf den Flansch 76 die Leistungselektronik mit den Schalt- und Steuerelementen aufgesetzt und mittels eines Elektronikgehäuses 88 überdeckt. An diesem sind des Weiteren ein Hochvoltstecker 90 zur Stromversorgung und ein Niedervoltstecker 92 zum Anschluss von Steuerleitungen befestigt. Der prinzipielle Aufbau einer derartigen Leistungselektronik mit der
zugeordneten Einhausung ist bekannt, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich sind.
Der Aufbau und die Montage von Ausführungsbeispielen des in Figur 1 b) dargestellten, als Heizer für ein flüssiges Medium ausgeführten Fluidheizers 1 wird anhand der Figuren 14 bis 25 erläutert.
Bei dem anhand der Figuren 14 bis 16 erläuterten Ausführungsbeispiel sind zwei Heizkreise vorgesehen, die jeweils mit einem Flächengebilde 4, 4‘ ausgeführt sind, das als Wicklung 94 ausgeführt ist. Mit anderen Worten gesagt, das Flächengebilde 4, 4‘ wird jeweils zu der etwa spiralförmigen Wicklung aufgerollt, so dass die einzelnen Wicklungslagen 93, 95 in Anlage zu einander stehen und so einander in Radialrichtung stabilisieren. Durch entsprechende Ausgestaltung der Wicklung 94 ist eine sehr einfache Anpassung an unterschiedliche Rohrdurchmesser ermöglicht. Die elektrische Kontaktierung erfolgt, wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen über die elektrischen Anschlüsse 14, 16 bzw. 14‘, 16‘. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Anschlüsse 14, 16 bzw. 14‘, 16' in
Radialrichtung nach außen geführt. Wie in Figur 14 gestrichelt angedeutet, kann die Kontaktierung jedoch auch erfolgen, indem zumindest einer der Anschlüsse (in Figur 14 beispielhaft der Anschluss 16‘) etwa in Axialrichtung aus der Wicklung 94 herausgeführt ist.
Wie vorstehend erläutert, kann ein derartiger zweistufiger Heizer durch
entsprechende Steuerung der industriellen Textilmaschine in einem einzigen
Arbeitsgang ausgebildet werden. Prinzipiell möglich ist es auch, zwei Flächengebilde 4, 4‘ getrennt voneinander herzustellen, aufzuwickeln und dann in Axialrichtung benachbart zu einander zu positionieren. Erfindungsgemäß bevorzugt ist jedoch die erst genannte Variante. Zur Lagefixierung der Wicklung 94 wird gemäß Figur 15 auf die beiden außen liegenden Endabschnitte der beiden gewickelten Flächengebilde 4, 4‘ jeweils ein Endstück 96, 98 aufgesetzt. Diese können aus Kunststoff hergestellt werden. Jedes dieser Endstücke 96, 98 hat zu den Flächengebilden 4, 4‘ vorspringende, sich achsparallel erstreckende Positionsrippen 99, die den Außenumfang der jeweiligen Wicklung 94 umgreifen und diese somit in Umfangsrichtung stabilisieren. In Figur 15 ist jeweils eine der Positionsrippen 99a, 99b der Endstücke 96, 98 mit einem
Bezugszeichen versehen. Diese ähnlichen Bezugszeichen sind gewählt, da die Kontur der Endstücke 96, 98 im Prinzip identisch ist.
Die Endstücke 96, 98 bilden einen Zulauf 100 bzw. einen Auslass 102 für das zu erwärmende Medium (Flüssigkeit), wobei der Anschluss an eine Rohrleitung oder einen Flüssigkeitssammler/-verteiler jeweils über ein Anschlussrohr 104a, 104b erfolgt. Im Inneren dieser Anschlussrohre 104a, 104b ist jeweils eine Querrippe 105 ausgebildet, die ein Ausdrehen der Wicklung 94 durch die Strömungskräfte verhindert. Ein die Querrippe 105 tragender Abschnitt der Anschlussrohre 104a, 104b ist über eine
Innenschulter 107 zurückgestuft.
Der beispielsweise als Dichtfläche ausgebildete Außenumfang der Anschlussrohre 104a, 104b ist jeweils über eine Ringstirnfläche 106a, 106b zurückgestuft, so dass an jedem Endstück 96, 98 ein Stützbund 108a, 108b ausgebildet ist, aus dem heraus sich in achsparalleler Richtung die Positionsrippen 99a bzw. 99b in Richtung zu den
Wicklungen der Flächengebilde 4, 4‘ erstrecken. Die Umhüllende der Positionsrippen 99 hat den gleichen Durchmesser wie der Stützbund 108.
Gemäß der Darstellung in Figur 16 wird dann zwischen die Endstücke 96, 98 in dem Bereich zwischen den Ringstirnflächen 106a, 106b ein Fluidleitrohr 110 montiert, das stirnseitig an den Ringstirnflächen 106a, 106b abgestützt ist, wobei der
Außendurchmesser des Fluidleitrohrs 110 dem Außendurchmesser der Anschlussrohre 104a, 104b entspricht. Das Fluidleitrohr 110 kann in Längsrichtung geteilt sein, um das Einsetzen zwischen die Endstücke 96, 98 zu erleichtern. Es entsteht somit ein als Heizkern 1 12 ausgeführtes Heizelement 2, das in der nachstehend beschriebenen Weise als modulare Komponente eines Fluidheizers 1 verwendbar ist.
Anhand der Figuren 17 bis 19 wird eine weitere Variante eines Fluidheizers 1 zum Erwärmen von flüssigen Medien erläutert.
Das Heizelement 2 ist dabei wiederum mit einem Flächengebilde 4 ausgeführt, das als flächiges Gestrick auf einer industriellen Textilmaschine hergestellt ist. Wie erläutert, kann anstelle eines derartigen flächigen Flächengebildes 4 auch ein in einer beliebigen 3D-Form ausgebildetes Flächengebilde verwendet werden.
Das in Figur 18 (oben) angedeutete Flächengebilde 4, das - in der
vorbeschriebenen Weise - einen oder mehrere Heizkreise ausbilden kann und dessen Maschenweite an die jeweiligen Betriebsbedingungen (zu erwärmende Flüssigkeit, Strömungsgeschwindigkeit, zu übertragende Wärme... ) angepasst ist, wird gemäß Figur 17 von einem Halter 1 14 gehalten, der im weitesten Sinne eine Rohrstruktur aufweist. Dieser Halter 1 14 hat wiederum zwei rohrförmige Endstücke 96, 98, die beispielsweise aus Kunststoff hergestellt sind. Es sei angenommen, dass das Endstück 96 zulaufseitig und das Endstück 98 ablaufseitig angeordnet ist. Die zu erwärmende Flüssigkeit strömt dem entsprechen durch den Zulauf 100 in den Halter 1 14 ein und über einen Auslass 102 ab. Bei einer Herstellung aus Kunststoff ist zur Vermeidung von Materialanhäufungen jedes Endstück 96, 98 mit einer Vielzahl von Ausnehmungen 1 16, 1 18 ausgeführt. Im Prinzip können diese Ausnehmungen 1 16, 1 18 auch zusätzliche, parallel zum mittigen Strömungskanal angeordnete Fluidkanäle ausbilden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Grundaufbau der beiden Endstücke 96, 98 im Wesentlichen identisch, so dass im Folgenden lediglich der Aufbau des Endstücks 96 beschrieben wird. Die außenliegende Stirnfläche des Endstücks 96 ist als Dichtfläche 120 ausgebildet und gegenüber dem Außenumfang des Endstücks 96 zurückgestuft, so dass der Halter 1 14 mit dem im Folgenden noch beschriebenen Heizelement 4 dichtend an den jeweiligen Strömungskanal angesetzt werden kann. Prinzipiell können die Endstücke 96, 98 jedoch auch gemäß den vorbeschriebenen Figuren 14 bis 16 ausgeführt sein. Die einander zuweisenden Endabschnitte der Endstücke 96, 98 sind ebenfalls zurückgestuft und bilden jeweils den Stützbund 108, der in ein Fluidleitrohr (siehe folgende Ausführungen) eintaucht. Dieses stützt sich dann stirnseitig an einer
Ringstirnfläche 106 des Endstücks 96 ab. Die vorgenannten Ausnehmungen 1 18 münden in der Stirnfläche des Stützbunds 108.
Zwischen den beiden zueinander beabstandeten Endstücken 96, 98 erstrecken sich auf einem gemeinsamen Teilkreis eine Vielzahl von Führungsstäben 122, die im jeweiligen Stützbund 108 der Endstücke 96, 98 befestigt sind und den Zulauf 100 sowie den Auslass 102 umgreifen. Zur Stabilisierung ist etwa mittig zwischen den beiden Endstücken 96, 98 ein Haltering 124 angeordnet, der von den Führungsstäben 122 durchsetzt ist. Prinzipiell können die Führungsstäbe 122 auch zweiteilig ausgeführt sein, wobei sich ein Teil vom Endstück 96 zum Haltering 1 16 und der andere Teil vom
Haltering 1 16 zum Endstück 98 erstreckt.
Bei dem in Figur 17 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch der Haltering 124 mit Ausnehmungen 1 18 ausgeführt. Der Außendurchmesser des Halterings 128 entspricht dem Außendurchmesser der beiden Stützbunde 108 der Endstücke 96, 98.
Wie in Figur 18 angedeutet, wird dann auf diesem Halter 1 14 das flächige
Flächengebilde 4 aufgespannt. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 18 sind zwei Flächengebilde 4, 4‘ mit den jeweiligen elektrischen Anschlüssen 14, 16 bzw. 14‘, 16' vorgesehen, so dass der in Figur 18 dargestellte Fleizkern 1 12 mit zwei
Fleizkreisen/Fleizstufen ausgeführt ist. Das Aufspannen der Flächengebilde 4, 4' erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel dadurch, dass gemäß der oben rechts dargestellten Skizze das Flächengebilde 4 benachbarte Führungsstäbe 122, 122' wechselweise umschlingt, so dass beispielsweise das Flächengebilde 4 bei einem Führungsstab 122 radial innenliegend und beim benachbarten Führungsstab 122' radial außenliegend angeordnet ist. Durch diese Umschlingung, die durch einen entsprechenden
Reibschluss zwischen dem Flächengebilde 4 und den Führungsstäben 122 verstärkt werden kann, ist eine zuverlässige Lagefixierung des Flächengebildes 4 gewährleistet. Zur weiteren Lagesicherung können noch zusätzliche Spannelemente vorgesehen werden, um das Flächengebilde 4 gespannt an dem Halter 1 14 zu halten. Die beiden in Figur 18 oben dargestellten Endabschnitte 126, 128 der Flächengebilde 4, 4‘ können dann in geeigneter Weise am Halter 1 14 festgelegt werden, um die Spannlage zu sichern. Die elektrische Kontaktierung der Flächengebilde 4, 4‘ erfolgt wiederum über deren elektrische Anschlüsse 14, 16, 14‘, 16‘.
Nach dem Aufspannen der Flächengebilde 4, 4‘ auf dem Halter 94 wird gemäß Figur 19 ein Fluidleitrohr 1 10 angebracht, das sich zwischen den beiden Endstücken 96, 98 erstreckt.
Das Fluidleitrohr 1 10 gemäß den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen kann beispielsweise, wie erwähnt, geteilt ausgeführt sein, so dass die Montage in der Konstellation gemäß Figur 16 oder 18 vereinfacht ist. Prinzipiell kann ein Endstück 96, 98 auch mehrteilig ausgeführt sein, so dass das Fluidleitrohr 1 10 axial aufgeschoben werden kann und die stirnseitige Lagefixierung dann durch ein in einem weiteren Montageschritt auf das jeweilige Endstück aufgesetztes Abschlusselement
gewährleistet ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen
Anschlüsse 14, 16, 14‘, 16' durch Durchbrüche des Fluidleitrohrs 1 10 hindurch radial nach außen geführt.
Der derart ausgebildete Heizkern 1 12 wird in Pfeilrichtung von der zu
erwärmenden Flüssigkeit durchströmt, so dass diese am Auslass 102 die vorbestimmte Temperatur aufweist.
Zur Vergrößerung der Heizleistung können mehrere derartige Heizkerne 1 12 der vorbeschriebenen Bauarten zu einem Fluidheizer 1 zusammengefügt werden. Eine entsprechende Ausführung ist in Figur 20 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der vorbeschriebene Heizkern 1 12, der bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 20 lediglich mit einem Heizkreis ausgeführt ist, an einen Fluidverteiler 130
angeschlossen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel können vier derartige Heizkerne 1 12 an den Fluidverteiler 130 angesetzt werden. Der Fluidverteiler 130 ist einlassseitig über einen Rohrstutzen 132 mit dem Fluidsystem eines Fahrzeugs verbunden. Der Rohrstutzen 132 kann dabei mit einem Schraubflansch gemäß Figur 20 oder aber auch mit einem Schnellverschluss ausgeführt sein, der ein einfaches
Ankoppeln an das Fluidsystem ermöglicht.
Heizkernseitig hat der Fluidverteiler 130 einen Verteilerflansch 134, der vier Fluidverteilerauslässe 136 ausbildet, von denen lediglich einer mit einem
Bezugszeichen versehen ist. Jeder Fluidverteilerauslass 136 ist so ausgeführt, dass der jeweilige Heizkern 1 12 dichtend eingesetzt werden kann. Die Abdichtung kann mittels eines nicht dargestellten O-Rings erfolgen. Alternativ kann der Heizkern 1 12 auch stoffschlüssig oder durch Einpressen dichtend eingesetzt sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Fluidverteilerauslass 136 als Dichtmanschette ausgeführt, in die das benachbarte Endstück 96 des jeweiligen Heizkerns 1 12 eingesetzt wird. Am Fluidverteilerflansch 134 ist wiederum eine Auflage 138 für Schaltelemente der
Leistungselektronik vorgesehen, so dass deren Wärme an das zu erwärmende Fluid abgegeben werden kann.
In der Darstellung gemäß Figur 21 sind dann insgesamt vier Heizkerne 1 12a,
1 12b, 1 12c und 1 12d an den vorbeschriebenen Fluidverteiler 130 angesetzt. Gemäß Figur 22 wird an die vom Fluidverteiler 128 entfernten Endabschnitte der Heizkerne 1 12a, 1 12b, 1 12c, 1 12d, d. h., auf die Endstücke 98a, 98b, 98c, 98d ein Fluidsammler 140 aufgesetzt, dessen Aufbau im Prinzip dem Aufbau des Fluidverteilers 130 entspricht. Auch beim Fluidsammler 140 ist eine Auflage 142 zur Kühlung von elektronischen Bauteilen der Leistungselektronik vorgesehen. Das über die Heizkerne 1 12a, 1 12b, 1 12c und 1 12d erwärmte Fluid tritt dann über einen Auslassrohrstutzen 144 aus dem Fluidheizer 1 aus. Der Aufbau des Auslassrohrstutzens 144 entspricht wiederum demjenigen des einlassseitigen Rohrstutzens 132.
Die Anordnung gemäß Figur 22 wird dann, wie in Figur 23 dargestellt, eingehaust. Das Gehäuse 146 ist dabei mantelförmig an den Fluidverteiler 130und den
Fluidsammler 140 angesetzt und mit diesem über Zuganker 148 verbunden. Die
Außenkontur des Fluidverteilers 130 des Fluidsammlers 140 ist etwa rechteckförmig, so dass auch entsprechend ein rechteckförmiges Gehäuse 146 ausgebildet wird. Die elektrischen Anschlüsse 14, 16, 14‘, 16' erstrecken sich durch das nach oben (Ansicht nach Figur 23) hin offene Gehäuse 146 hindurch. Die Räume zwischen den Heizkernen 112a, 112b, 112c, 112d können innerhalb des Gehäuses 146 mit einem Dämmmaterial ausgefüllt werden, so dass zum einen eine thermische Isolation erfolgt und zum anderen Vibrationen vorgebeugt ist.
Wie in Figur 23 dargestellt, erstrecken sich die Anschlüsse 14, 16 (in Figur 22 sind lediglich einige der elektrischen Anschlüsse dargestellt) aus dem nach oben hin
(Ansicht nach Figur23) offenen Gehäuse 146 heraus. Im Bereich der Gehäuseöffnung wird gemäß Figur 24 eine Elektronikplatine 150 der Leistungselektronik aufgesetzt. Die Elektronikplatine 150 ist in Figur 24 ohne Bestückung gezeichnet. Die vorgenannten elektrischen Anschlüsse 14, 14‘, 14“, 14‘“; 16, 16‘, 16“, 16“‘der Heizkerne 112a, 112b, 112c, 112d sind, wie in Figur 24 angedeutet, mit der Elektronikplatine 150 kontaktiert.
In einem abschließenden Montageschritt wird dann gemäß Figur 25 wie beim vorbeschriebenen Luftheizer das Elektronikgehäuse 88 mit dem Niedervolt-Stecker 92 und dem Hochvolt-Stecker 90 aufgesetzt und in geeigneter Weise mit dem Gehäuse 146 verbunden. Die beiden Stecker 90, 92 sind über geeignete, nicht dargestellte Befestigungsmittel am Elektronikgehäuse 88 befestigt. Optional kann ein Massenbolzen vorgesehen werden (nicht dargestellt), über den metallische Komponenten mit Masse verbunden werden.
Das Elektronikgehäuse 88 der vorbeschriebenen Fluidheizer 1 kann aus
Kunststoff oder Metall gefertigt sein, wobei in jedem Fall die EMV-Abschirmung der innenliegenden Elektronik zu beachten ist, um Wechselwirkungen mit der den sonstigen Elektronikkomponenten zu vermeiden.
Offenbart ist ein Fluidheizer, bei dem ein Heizelement als Flächengebilde aus einem isolierten Draht oder dergleichen gebildet ist. Bezugszeichenliste:
1 Fluidheizer
2 Heizelement
4 Flächengebilde
6 Masche
7 isolierter Draht
8 Drahtseele
10 Isolierung
12 Litze
13 Bündel isolierter Drähte
14 elektrischer Anschluss
16 elektrischer Anschluss
18 Öse
20 Öse
22 Öse
24 Schlaufe
26 Kausch
28 Rahmen
30 Rahmenelement
32 Joch
34 Unterbrechung
36 Unterbrechung
38 Scheitel
40 Scheitel
42 Scheitel
44 Verbindungsstreifen
46 Verbindungsstreifen
48 Verbindungsstreifen
50 Basis
52 Drahtstrebe
54 Drahtstrebe 56 Fuge
58 U-Schenkel
60 U-Schenkel
62 Rahmenstrebe
64 Rahmenstrebe
66 Scheitel
68 Drahtbereich
70 Drahtbereich
72 Umlenkung
74 Umlenkung
76 Flansch
78 Kontaktzunge
80 Kontaktzunge
82 Massebolzen
83 Massebrücke
84 Anlagefläche
86 Bohrung
88 Elektronikgehäuse 90 Flochvoltstecker
92 Niedervoltstecker
93 Wicklungslage
94 Wicklung
95 Wicklungslage
96 Endstück
98 Endstück
99 Positionsrippe
100 Zulauf
102 Auslass
104 Anschlussrohr
105 Querrippe
106 Ringstirnfläche
107 Innenschulter
108 Stützbund 110 Fluidleitrohr
112 Heizkern
114 Halter
116 Ausnehmung
118 Ausnehmung
120 Dichtfläche
122 Führungsstab
124 Haltering
126 Endabschnitt
128 Endabschnitt
130 Fluidverteiler
132 Rohrstutzen
134 Fluidverteilerflansch
136 Fluidverteilerauslass
138 Auflage
140 Fluidsammler
142 Auflage
144 Auslassrohrstutzen
146 Gehäuse
148 Zuganker
150 Elektronikplatine

Claims

Patentansprüche
1. Fluidheizer zum Erwärmen eines Fluids, vorzugsweise Luft oder Flüssigkeit, mit einem durch- oder umströmten, wärmeerzeugenden elektrischen Heizelement (2), das nach Art eines textilen Flächengebildes (4), beispielsweise als Geflecht, Gewirk, Gewebe, Maschengebilde, Kreuzgebilde, Vlies, Gestrick oder ungeordnete Struktur ausgeführt ist, das aus zumindest einem isolierten Draht (7), der eine mit einer
Isolierung (10) versehene Drahtseele (8) aufweist, ausgebildet und an einem Träger gehalten ist.
2. Fluidheizer nach Patentanspruch 1 , wobei das Flächengebilde (4) mittels einer Maschine, z.B. einer industriellen Textilmaschine, oder dergleichen als flächiges Element oder als 3D-Formkörper, beispielsweise in Form eines Hohlzylinders ausgeformt ist.
3. Fluidheizer nach Patentanspruch 2, wobei das Flächengebilde (4) gefaltet oder zu einem Formkörper gebogen oder gerollt ist.
4. Fluidheizer nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Draht aus Cu, AI, CuNi, Kohlefasern oder einem sonstigen, für die Herstellung von Heizelementen verwendeten Material besteht.
5. Fluidheizer nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Isolierung (10) ein Lack, vorzugsweise ein auf PU oder PEI basierender Lack oder eine durch Extrusion oder Abscheidung aufgebrachte Beschichtung, vorzugsweise aus PEEK, ist.
6. Fluidheizer nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Flächengebilde (4) derart ausgeführt ist, dass zwei oder mehrere Heizkreise gebildet sind.
7. Fluidheizer nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Flächengebilde (4) an einem Rahmen (28) gehalten ist.
8. Fluidheizer nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Rahmen für das Flächengebilde (4) als Kunststoffformrahmen durch Umspritzen ausgebildet ist.
9. Fluidheizer nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei das
Flächengebilde (4) als Wicklung (94) gerollt ist.
10. Fluidheizer nach Patentanspruch 9, wobei die Wicklung (94) in einem
Fluidleitrohr (1 10) aufgenommen ist.
1 1 . Fluidheizer nach Patentanspruch 9 oder 10, wobei an die Wicklung (94) stirnseitig Endstücke (96, 98) angesetzt sind, die die Wicklung (94) abschnittsweise umgreifen und lagefixieren und radial über die Wicklung (94) überstehen, so dass in einem Zwischenraum zwischen den Endabschnitten (96, 98) ein Raum zur Aufnahme eines Fluidleitrohrs (1 10) ausgebildet ist, das gemeinsam mit der Wicklung (94) und den Endstücken (96, 98) einen Fleizkern (1 12) ausbildet.
12. Fluidheizer nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei das
Flächengebilde (4) als rohrartige Struktur von einem vom Fluid durchströmten Halter (1 14) gehalten ist.
13. Fluidheizer nach Patentanspruch 12, wobei der Halter (1 14) eine Vielzahl von auf einem Teilkreis angeordneten Führungsstäben (122) hat, die wechselweise vom Flächengebilde (4) über- oder Untergriffen sind und die vorzugsweise von einem Fluidleitrohr (1 10) umgeben sind, so dass ein Fleizkern (1 12) ausgebildet ist.
14. Fluidheizer nach Patentanspruch 1 1 oder 13, wobei mehrere Fleizkerne (1 12) in Parallelstellung zueinander angeordnet sind.
15. Fluidheizer nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei an dem Flächengebilde (4) Haltemittel, vorzugsweise Ösen (18, 20, 22) oder Kauschen (26) zur Befestigung an dem Träger ausgebildet sind.
16. Fluidheizer nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der isolierte Draht (7) als Litze (12) mit mehreren Drahtseelen (8) oder als verlitztes Bündel (13) aus mehreren isolierten Drähten (7) gebildet ist.
17. Verfahren zum Herstellen eines Fluidheizers nach einem der
vorhergehenden Patenansprüche, wobei ein Flächengebilde (4) aus einem mit einer Isolierung (10) versehenen Draht (7) maschinell, vorzugsweise mittels einer
Strickmaschine hergestellt ist und wobei die Maschine einen Messaufnehmer hat, über den ein Widerstand, ein Flächengewicht oder eine generierbare elektrische Leistung erfassbar ist und die maschinelle Herstellung bei Erreichen eines vorbestimmten Grenzwertes beendet wird.
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