DE102011054406A1

DE102011054406A1 - Elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102011054406A1
Application number: DE201110054406
Authority: DE
Inventors: Ralph Wächter; Michael Störzinger; Bernd Halbrock; Alexander Dauth
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-04-04
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: DE102011054406B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Flüssigkeiten, mit wenigstens einem Heizstab (5), der wenigstens ein Widerstandsheizelement aufweist, einem Gehäuse (1), das den Heizstab (5) umgibt und das eine Einlassöffnung (2) und eine Auslassöffnung (2) aufweist, wobei die Einlassöffnung (2) und die Auslassöffnung (2) durch einen gewundenen Strömungskanal miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Strömungskanal eine Wendel bildet, die eine Längsachse aufweist, wobei der Heizstab (5) neben der Längsachse der Wendel angeordnet ist und an mehreren Stellen durch eine wendelförmig gewundene Wand des Strömungskanals hindurchragt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Heizvorrichtung zum Beheizen von Flüssigkeiten mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Derartige Heizvorrichtungen werden in Fahrzeugen beispielsweise zum Erwärmen von Wasser oder wässrigen Glykolgemischen benötigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten geschaffen werden kann, die den von Fahrzeugherstellern gesetzten Anforderungen kostengünstig gerecht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung bildet der Strömungskanal eine Wendel, die eine Längsachse aufweist, wobei der Heizstab neben der Längsachse der Wendel angeordnet ist. Die Wendel ist bevorzugt als eine Schraube ausgebildet, d. h. hat bevorzugt eine konstante Ganghöhe, da dies die Fertigung vereinfacht. Eine konstant gleich bleibende Ganghöhe ist aber nicht erforderlich. An sich kann der Strömungskanal auch als eine unregelmäßige Wendel ausgebildet sein, bei der sich die Wendelsteigung zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung der Heizvorrichtung ändert. Erfindungsgemäß ragt der wenigstens eine Heizstab an mehreren Stellen durch eine wendelförmige gewundene Wand des Strömungskanals hindurch. Wenn die Wendel als eine Schraube ausgebildet ist, durchsetzt der Heizstab also die Flanken der Schraube. Bevorzugt ist der Heizstab parallel zur Längsachse der Wendel angeordnet. Er kann mit der Längsachse der Wendel aber auch einen spitzen Winkel einschließen.
Der wendelförmig gewundene Strömungskanal einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung führt zu einem vorteilhaft kompakten Aufbau. Da der Strömungskanal mehrmals an jedem Heizstab vorbeiführt, wird eine sehr gute Wärmeabgabe erreicht. Die benötigte Heizleistung kann durch die Anzahl der verwendeten Heizstäbe problemlos innerhalb weiter Grenzen an gegebene Anforderungen angepasst werden. Vorteilhaft können für eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung Heizstäbe verwendet werden, die beispielsweise auch für Heizer von Fahrzeugklimaanlagen gebräuchlich sind. Dies ermöglicht eine kostengünstige Fertigung.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Strömungskanal von Strömungsleitelementen gebildet ist, die in dem Gehäuse aufeinander angeordnet sind, jeweils einen Teil einer Schraube bilden und Aussparungen für den Heizstab oder die Heizstäbe aufweisen. Derartige Strömungsleitelemente können beispielsweise aufeinander gesteckt werden, um einen Strömungskanal der gewünschten Länge auszubilden. Bevorzugt wird der Strömungskanal dann von den Strömungsleitelementen und einer zylindrischen Umfangswand, welche die Strömungsleitelemente umgibt, begrenzt. Geeignete Strömungsleitelemente können beispielsweise aus Kunststoff kostengünstig hergestellt werden. Bevorzugt ist, dass jedes Strömungsleitelement eine Windung der Schraube bildet. Dies führt zu einer besonders einfachen Fertigung. Bevorzugt bilden die Strömungsleitelemente eine Schraube mit einem eingängigen Gewinde.
Die Aussparungen der Strömungsleitelemente erstrecken sich in radialer Richtung bevorzugt weniger weit als die betreffende Flanke bzw. Wand des Strömungsleitelements. Beispielsweise können die Aussparungen als Löcher ausgebildet sein. Die Aussparungen können aber auch zum Rand des Strömungsleitelements, d. h. zum Gehäuse hin, offen sein, so dass die Heizstäbe an der Innenseite des Gehäuses anliegen.
Wenn der Heizstab oder die Heizstäbe an einer Innenseite des Gehäuses anliegen, strömt eine zu erwärmende Flüssigkeit nur auf einer Seite an den Heizstäben vorbei. Bevorzugt sind der oder die Heizstäbe so angeordnet, dass die zu erwärmende Flüssigkeit in dem Strömungskanal auf zwei Seiten, nämlich sowohl radial innen als auch radial außen, an dem Heizstab vorbeiströmen kann. Mit anderen Worten bildet der Heizstab also ein Strömungshindernis, an dem ein Teil des Strömungskanals radial innen und ein weiterer Teil des Strömungskanals radial außen vorbeiführt. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Wärmeabgabe erreicht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Widerstandsheizelemente PTC Elemente verwendet werden, insbesondere keramische PTC Elemente, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat. Bevorzugt ist jeder Heizstab als ein Vierkantrohr ausgebildet, in dem wenigstens ein als PTC Element ausgebildetes Widerstandsheizelement angeordnet ist. Die Heizelemente sind in einem solchen Heizstab durch das Vierkantrohr vor der zu erwärmenden Flüssigkeit vorteilhaft geschützt.
Ein oder mehrere PTC Elemente können in einem Vierkantrohr von einem Montagerahmen gehalten werden, der bevorzugt auch wenigstens ein Anschlussblech hält, das aus dem Vierkantrohr herausragt und das PTC Element oder die PTC Elemente kontaktiert. Die Vierkantrohre können nach dem Einbringen der PTC Elemente verpresst werden, um eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Geeignete Montagerahmen sind beispielsweise in der DE 10 2009 035 837 A1 bekannt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Heizstäbe an einem ihrer Enden oder an beiden Ende in Vergussmasse eingebettet sind. Die Vergussmasse kann dazu dienen, das Gehäuse abzudichten oder beispielsweise um Heizstäbe und Strömungsleitelemente zu einer gut handhabbaren Einheit zu verbinden. Alternativ oder zusätzlich können die Heizstäbe an ihren Enden auch verschweißt sein.
Aus den Heizstäben herausragende Anschlussbleche können vorteilhaft in Schlitzen einer Schaltungsträgerplatte stecken, die beispielsweise in einem Fortsatz oder Aufsatz eines bevorzugt zylindrischen Gehäuses angeordnet sein kann und eine Steuerungselektronik tragen kann. Schaltungsträgerplatten werden manchmal auch als Leiterplatten oder Platinen bezeichnet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung;
2 eine Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten Heizvorrichtung;
3 eine Schnittansicht zu 1;
4 ein einzelnes Strömungsleitelement von 2; und
5 den Strömungskanal mit Heizstäben ohne Gehäuse.
Die in den 1 bis 3 dargestellte elektrische Heizvorrichtung dient zum Beheizen von Flüssigkeiten in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise zum Beheizen von Wasser. Die Heizvorrichtung hat eine Gehäuse 1, das zwei Öffnungen 2, nämlich eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist. Die Einlassöffnung und die Auslassöffnung sind in dem Gehäuse 1 durch einen Strömungskanal verbunden, der sich schraubenförmig um eine Längsachse des zylindrischen Gehäuses 1 windet. Der Verlauf des Strömungskanals wird durch Strömungsleitelemente 3 vorgegeben, die in dem Gehäuse 1 aufeinander liegen. Ein solches Strömungsleitelement 3 ist in 4 dargestellt. 5 zeigt die aufeinander gesteckten Strömungsleitelemente 3 und somit den Verlauf des Strömungskanals ohne das Gehäuse 1.
Die Strömungsleitelemente 3 bilden jeweils eine Windung einer Schraube mit einem eingängigen Gewinde. Der Strömungskanal verläuft zwischen den Flanken dieser Schraube. Die Flanken der Schraube bildenden also eine wendelförmig gewundene Wand des Strömungskanals.
Wie 4 zeigt, haben die Strömungsleitelemente 3 Aussparungen 4 für insbesondere in 2 dargestellte Heizstäbe 5. Die Heizstäbe 5 sind in der Heizvorrichtung neben der Längsachse der Schraube angeordnet und ragen an mehreren Stellen durch die wendelförmig gewundene Wand des Strömungskanals hindurch, nämlich durch die Flanke jeder Windung der von den Strömungsleitelementen 3 gebildeten Schraube.
Die Heizstäbe 5 können als Vierkantrohre mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein, in denen jeweils ein nichtdargestelltes PTC Element oder mehrere PTC Elemente als Widerstandsheizelemente angeordnet sind. Die PTC Elemente können in den Heizstäben 5 von einem nicht gezeigten Montagerahmen gehalten werden, der auch wenigstens ein Anschlussblech 6 hält, das die Heizelemente kontaktiert und aus dem Heizstab 5 herausragt. Wenn das Vierkantrohr selbst als Masseanschluss verwendet wird, genügt ein einziges Anschlussblech 6. Ansonsten können zwei Anschlussbleche 6 verwendet werden, die jeweils gegenüber dem Vierkantrohr elektrisch isoliert sind und aus dem Heizstab 5 herausragen.
Die Heizstäbe 5 haben bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt mit zwei Schmalseiten und zwei Längsseiten. Die Längsseiten sind bevorzugt schräg zur radialen Richtung der von den Strömungsleitelementen 3 gebildeten Schraube angeordnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Heizstäbe 5 in Umfangsrichtung einheitlich orientiert, um günstige Strömungsverhältnisse in dem wendelförmig verlaufenden Strömungskanal zu bewirken. Wie 4 zeigt, können die Heizstäbe 5 sowohl radial innen als auch radial außen von der zu erwärmenden Flüssigkeit umströmt werden.
Die Heizstäbe 5 können an einem oder auch an beiden Enden in Vergussmasse 7 eingebettet sein, beispielsweise um die Strömungsleitelemente 3 und die Heizstäbe 5 zu einer gut handhabbaren Einheit zusammenzufügen oder um das Gehäuse 1 abzudichten. Das Gehäuse 1 kann, wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, einen Aufsatz 8 tragen, in dem eine Steuerungselektronik mit einer Schaltungsträgerplatte 9 angeordnet ist. Die Anschlussbleche 6 der Heizstäbe 5 können in den Aufsatz 8 hineinragen und dort in Schlitzen der Schaltungsträgerplatte 9 stecken.
Um das Zusammenstecken der Strömungsleitelemente 3 zu erleichtern, können diese an einer Oberseite einen Zapfen oder eine andere Erhöhung aufweisen, die in eine dazu passende Ausnehmung an der Unterseite der Strömungsleitelemente 3 passt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Strömungsleitkanal vier Windungen. Dementsprechend sind in dem Gehäuse 1 vier Strömungsleitelemente 3 übereinander angeordnet. Der Strömungskanal kann aber auch eine größer oder eine kleiner Anzahl von Windungen aufweisen, beispielsweise nur drei Windungen. Die Strömungsleitelemente 3 können in das Gehäuse integriert sein, also als Gehäuseteile ausgebildet sein.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Öffnungen
3: Strömungsleitelemente
4: Aussparungen
5: Heizstäbe
6: Anschlussbleche
7: Vergussmasse
8: Aufsatz
9: Schaltungsträgerplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009035837 A1 [0010]

Claims

Elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Flüssigkeiten, mit wenigstens einem Heizstab (5), der wenigstens ein Widerstandsheizelement aufweist, einem Gehäuse (1), das den Heizstab (5) umgibt und das eine Einlassöffnung (2) und eine Auslassöffnung (2) aufweist, wobei die Einlassöffnung (2) und die Auslassöffnung (2) durch einen gewundenen Strömungskanal miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal eine Wendel bildet, die eine Längsachse aufweist, wobei der Heizstab (5) neben der Längsachse der Wendel angeordnet ist und an mehreren Stellen durch eine wendelförmig gewundene Wand des Strömungskanals hindurchragt.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Heizstäbe (5) durch die wendelförmig gewundene Wand des Strömungskanals hindurchragen.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (5) oder die Heizstäbe (5) parallel zu der Längsachse des Strömungskanals angeordnet sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal von Strömungsleitelementen (3) gebildet ist, die in dem Gehäuse (1) aufeinander angeordnet sind, jeweils einen Teil einer Schraube bilden und Aussparungen (4) für den Heizstab (5) oder die Heizstäbe (5) aufweisen.
Heizvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Strömungsleitelement (3) eine Windung der Schraube bildet.
Heizvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsleitelemente (3) als Teile des Gehäuses (1) ausgebildet sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (5) ein Vierkantrohr aufweist, in dem wenigstens ein als PTC Element ausgebildetes Widerstandsheizelement angeordnet ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (5) einen Querschnitt mit zwei Schmalseiten und zwei Längsseiten aufweist, wobei die Längsseiten schräg zur radialen Richtung der Wendel angeordnet sind.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) zylindrisch ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (5) an wenigstens einem Ende in Vergussmasse (7) eingebettet ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Heizstab (5) ein Anschlussblech (6) herausragt, das in einem Schlitz einer Schaltungsträgerplatte (9) steckt.