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DE102021004123A1 - Electric heater - Google Patents

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DE102021004123A1
DE102021004123A1 DE102021004123.2A DE102021004123A DE102021004123A1 DE 102021004123 A1 DE102021004123 A1 DE 102021004123A1 DE 102021004123 A DE102021004123 A DE 102021004123A DE 102021004123 A1 DE102021004123 A1 DE 102021004123A1
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DE
Germany
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heating
heat exchanger
electrical
heating device
fluid
Prior art date
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Application number
DE102021004123.2A
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German (de)
Inventor
Jens Richter
Manuela Weber
Chris Andre Papke
Christian Bürck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für die Erwärmung eines Fluids in einem Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse, mit parallel nebeneinander angeordneten ersten und zweiten fluidführenden Wärmetauscherelementen dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscherelement eine erste und eine zweite Heizzone geformt wird, wobei in der ersten Heizzone wenigstens ein Heizelement, das durch einen ohmschen Widerstand eines passiven Bauelements Wärme erzeugt, und in der zweiten Heizzone mindestens ein eine Verlustleistung erzeugender elektrischer Halbleiter-Leistungsschalter angeordnet sind.The present invention relates to an electrical heating device, in particular for heating a fluid in a motor vehicle, having a housing with first and second fluid-carrying heat exchanger elements arranged parallel to one another, characterized in that a first and a second heating zone are formed between the first and the second heat exchanger element , wherein in the first heating zone at least one heating element, which generates heat through an ohmic resistance of a passive component, and in the second heating zone at least one electrical semiconductor power switch generating a power loss are arranged.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung, insbesondere für die Erwärmung eines Fluids in einem Kraftfahrzeug mit einem Verlustleistung erzeugendem Halbleiter-Leistungsschalter und ein Kraftfahrzeug nach der Gattung der unabhängigen Patentansprüche.The invention relates to an electrical heating device, in particular for heating a fluid in a motor vehicle with a semiconductor circuit breaker that generates power loss, and a motor vehicle according to the species of the independent patent claims.

In elektrischen Heizvorrichtungen werden Halbleiter-Leistungsschalter dazu eingesetzt, wärmeerzeugende Heizelemente elektrisch zu schalten. Dabei erzeugen die Halbleiter-Leistungsschalter eine Verlustleistung, die abgeführt werden muss, um die ordnungsgemäße Funktion und eine lange Lebensdauer der Halbleiter-Leistungsschalter zu gewährleisten.In electrical heating devices, semiconductor power switches are used to electrically switch heat-generating heating elements. In the process, the semiconductor power switches generate a power loss that has to be dissipated in order to ensure proper functioning and a long service life of the semiconductor power switches.

Solch eine gattungsgemäße elektrische Heizvorrichtung ist beispielsweise aus der EP 2884817 A1 bekannt wobei hier Verlustleistung erzeugende Halbleiter-Leistungsschalter einseitig an einem Gehäuse angeordnet werden, um eine Wärmeabfuhr zu ermöglichen.Such a generic electric heater is for example from EP 2884817 A1 known wherein here power loss generating semiconductor power switches are arranged on one side of a housing to allow heat dissipation.

Die erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass die Ableitung der Verlustleistung an ein Fluid erfolgt, mit dem die elektrische Heizeinrichtung im Betrieb beaufschlagt wird und das durch die elektrische Heizeinrichtung auch erhitzt werden soll. So wird die von den Halbleiter-Leistungsschalter abgegebene Verlustleistung nicht ungenutzt an ein Gehäuse oder an die Umgebung abgegeben, sondern an das Temperierfluid abgeführt. Somit wird die Erwärmung des Fluids durch die Verlustleistung der Halbleiter-Leistungsschalter unterstützt und ein vorteilhafter Wirkungsgradgewinn der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt. Durch die Anordnung zwischen zwei fluidführende Wärmetauscherelemente kann zudem eine zweiseitige Wärmeabfuhr erzielt werden, die noch effizienter ist. Zudem ergibt sich hieraus eine vorteilhafte Anordnung, die aufwendige Konstruktionen zur Fixierung der Halbleiter-Leistungsschalter unnötig machen.The electrical heating device according to the invention with the features of the independent patent claims has the advantage that the dissipation of the power loss is carried out to a fluid with which the electrical heating device is applied during operation and which should also be heated by the electrical heating device. In this way, the power loss emitted by the semiconductor power switches is not released unused to a housing or to the environment, but instead is discharged to the tempering fluid. The heating of the fluid is thus supported by the power loss of the semiconductor power switches and an advantageous gain in efficiency of the device according to the invention is achieved. Due to the arrangement between two fluid-carrying heat exchanger elements, two-sided heat dissipation can also be achieved, which is even more efficient. In addition, this results in an advantageous arrangement that makes complex constructions for fixing the semiconductor power switches unnecessary.

Daher wird vorliegend eine elektrische Heizeinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und der abhängigen Ansprüche vorgeschlagen. Die elektrische Heizeinrichtung dient insbesondere zur Erwärmung eines Fluids in einem Kraftfahrzeug, wobei als Fluid ein flüssiges Fluid insbesondere ein in einem Kühlkreislauf verwendetes Kühlmittel oder auch ein gasförmiges Fluid insbesondere Luft Verwendung finden kann. Bei einem Kühlmittel als Fluid dient die elektrische Heizeinrichtung zur Erwärmung eines Kühl- oder Heizkreislaufes in dem die elektrische Heizeinrichtung in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, wobei der Kühl- oder Heizkreislauf zum Beispiel zur Erwärmung eines Fahrzeuginnenraumes mittels eines Heizkörpers oder auch zur Temperierung einer Batterie in einem Kraftfahrzeug dienen kann, damit bei kalten Außentemperaturen eine optimierte Zu- oder Abfuhr von Energie in die Batterie ermöglicht.Therefore, an electrical heating device according to the features of claim 1 and the dependent claims is proposed here. The electrical heating device is used in particular for heating a fluid in a motor vehicle, a liquid fluid, in particular a coolant used in a cooling circuit, or a gaseous fluid, in particular air, being able to be used as the fluid. In the case of a coolant as the fluid, the electric heating device is used to heat a cooling or heating circuit in which the electric heating device is arranged in a motor vehicle, the cooling or heating circuit being used, for example, to heat a vehicle interior by means of a radiator or to control the temperature of a battery in a Motor vehicle can be used to enable an optimized supply or removal of energy into the battery when it is cold outside.

Dabei verfügt die elektrische Heizeinrichtung über ein Gehäuse das zumindest Teile der elektrischen Heizeinrichtung aufnimmt. Als Gehäuse kann hierbei ein überwiegend umschlossener Raum angenommen werden, der beispielsweise elektrische Anschlüsse umfasst, Steuerplatinen enthält, oder je nach Ausführungsform die komplette elektrische Heizeinrichtung umschließt. Dabei ist das Gehäuse weitestgehend gegen einen unerwünschten Eintritt von Flüssigkeiten abgedichtet und weist zweckmäßige Öffnungen zur Ein- oder Ausleitung von Fluiden, elektrischen Kontakten oder anderen zur elektrischen Heizeinrichtung gehörenden Komponenten auf. Das Gehäuse kann dabei zweckmäßig aus mehreren Einzelteilen bestehen, die fest miteinander verbunden ein abgeschlossenes Gehäuse bilden können. Insbesondere kann ein Gehäuse aus einem Grundkörper und einem Deckel bestehen, wobei das Gehäuse aus Kunststoff und/oder metallischen Werkstoffen, insbesondere aus Guss- oder Blechwerkstoffen, bestehen kann.The electrical heating device has a housing that accommodates at least parts of the electrical heating device. In this case, a predominantly enclosed space can be assumed to be the housing, which includes, for example, electrical connections, contains control circuit boards, or, depending on the embodiment, encloses the entire electrical heating device. In this case, the housing is largely sealed against the undesired ingress of liquids and has appropriate openings for the introduction or discharge of fluids, electrical contacts or other components belonging to the electrical heating device. The housing can expediently consist of several individual parts which can form a closed housing when connected to one another. In particular, a housing can consist of a base body and a cover, with the housing being able to consist of plastic and/or metal materials, in particular cast or sheet metal materials.

Ferner weist die elektrische Heizeinrichtung parallel nebeneinander angeordnete erste und zweite fluidführende Wärmetauscherelemente auf, zwischen denen erste und zweite Heizzonen geformt werden, wobei in der ersten Heizzone wenigstens ein Heizelement, dass durch einen ohmschen Widerstand eines passiven Bauelements Wärme erzeugt und in der zweiten Heizzone mindestens ein eine Verlustleistung erzeugender Halbleiter-Leistungsschalter angeordnet ist.Furthermore, the electrical heating device has first and second fluid-carrying heat exchanger elements arranged parallel to one another, between which first and second heating zones are formed, with at least one heating element in the first heating zone that generates heat through an ohmic resistance of a passive component and in the second heating zone at least one a power loss generating semiconductor power switch is arranged.

Die erste und die zweite Heizzone dienen der Wärmeerzeugung und geben die erzeugte Wärme an die anliegenden fluidführende Wärmetauscherelemente ab und erwärmen damit zweckdienlich das darin zirkulierende bzw. durchströmende Fluid.The first and the second heating zones are used to generate heat and give off the generated heat to the adjacent fluid-carrying heat exchanger elements and thus expediently heat the fluid circulating or flowing through them.

Die in der ersten Heizzone angeordneten Heizelemente erzeugen durch einen ohmschen Widerstand beim Anlegen einer elektrischen Spannung Wärme. Dabei funktionieren die Bauteile als passive Bauelemente. Je nach Ausführungsform können die Heizelemente als Dickschicht Heizelemente, als PTC-Widerstand Heizelemente oder als Heizfolie ausgeführt sein. Dickschicht Heizelemente sind konventionelle Heizelemente, die beim Durchströmen mit elektrischer Energie aufgrund eines ohmschen Widerstand Wärme erzeugen und diese abgeben. Dabei können vorgeformte Heizelemente Einsatz finden, die dann in der ersten Heizzone zwischen den beiden fluidführenden Wärmetauscherelementen angeordnet werden oder zumindest teilweise auf dem ersten und/oder zweiten Wärmetauscherelement aufgebrachte Beschichtung eines Dickschichtmaterials sein, dass durch Anlegen einer Spannung wärmeerzeugende Eigenschaften aufweist. Die Materialauswahl hierfür ist umfangreich und kann Metalllegierungen und/oder auch Keramik- oder Halbleitereigenschaften aufweisende Materialien umfassen und soll hier auch nicht abschließend dargestellt werden.The heating elements arranged in the first heating zone generate heat through an ohmic resistance when an electrical voltage is applied. The components function as passive components. Depending on the embodiment, the heating elements can be designed as thick-film heating elements, as PTC resistance heating elements or as heating foils. Thick-film heating elements are conventional heating elements that generate and emit heat when electrical energy flows through them due to an ohmic resistance. In this case, preformed heating elements can be used, which are then placed in the first heating zone between the two fluid-carrying heat exchangers lementen are arranged or at least partially applied to the first and / or second heat exchanger element coating of a thick-film material that has heat-generating properties by applying a voltage. The selection of materials for this is extensive and can include metal alloys and/or also materials having ceramic or semiconductor properties and is not intended to be presented here conclusively.

Das Heizelement kann aber auch als PTC-Heizelement ausgeführt und damit als Kaltleiter mit einem positiven Temperaturkoeffizienten wirken. Dabei wird aber wiederum ein ohmscher Widerstand genutzt, um Wärme zu erzeugen, nur dass der ohmsche bzw. der elektrische Widerstand des Heizelements temperaturabhängig ist, so dass der elektrische Strom bei tiefen Temperaturen besser geleitet wird als bei hohen Temperaturen. Charakteristisch für PTC-Heizelemente sind nichtlineare Widerstandverläufe, die ein selbstregelndes Verhalten der Heizelemente ermöglichen, wobei bei zu hohen Temperaturen der PTC-Heizelemente der Widerstand rapide steigt und sich somit der Heizkörper selbst abregeln kann. Besonders charakteristisch sind hierfür keramikbasierte PTC-Heizelemente z.B. auf der Basis von BaTiO3, die als vorgeformte Bauelemente verfügbar sind und so einfach zwischen zwei fluidführenden Wärmetauscherelementen angeordnet werden können.However, the heating element can also be designed as a PTC heating element and thus act as a PTC thermistor with a positive temperature coefficient. In this case, however, an ohmic resistance is used to generate heat, except that the ohmic or electrical resistance of the heating element is temperature-dependent, so that the electric current is conducted better at low temperatures than at high temperatures. Characteristic of PTC heating elements are non-linear resistance curves, which enable self-regulating behavior of the heating elements, with the resistance increasing rapidly if the temperatures of the PTC heating elements are too high and the heating element can thus regulate itself. Particularly characteristic of this are ceramic-based PTC heating elements, e.g. based on BaTiO3, which are available as preformed components and can therefore be easily arranged between two fluid-carrying heat exchanger elements.

Das Heizelement kann auch als Heizfolie ausgeführt sein. Dabei sind verschiedene Aufbauformen möglich. Die Heizfolien sind meist dünne Kunststofffolien, die eine Beschichtung oder ein dünnes elektrisch leitfähiges Material beinhalten, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung Wärme erzeugen. Diese Beschichtung oder Materialschicht kann zwischen zwei Kunststofffolien eingebettet sein, die dann als beidseitiges Trägermaterial für die Heizfolie dienen. Dabei kann die Beschichtung oder Materialschicht als Kaltleiter mit einem positiven Temperatureffizienten ausgebildet sein oder als herkömmliche ohmscher Widerstand wirken. Ein Vorteil dieser Heizfolie als Heizelement ist die sehr dünne Ausführung, die ein flexibles Anbringen auf verschieden geformten, z.B. auf ebenen oder gekrümmten, Oberflächen ermöglicht. Auch sind die Heizfolien durch den Aufbau mit Folien als Trägermaterial vorteilhaft als elektrisch isolierendes Heizelement gegen die angrenzenden Bauteile verwendbar. Es können zusätzliche Isolierschichten entfallen. Der mindestens eine in der zweiten Heizzone angeordnete Halbleiter-Leistungsschalter dient im Wesentlichen zur Ansteuerung der in der ersten Heizzone angeordneten Heizelementen. Dabei können alle üblichen Halbleiter-Leistungsschalter Verwendung finden, die geeignet sind um die hohen Lasten, die durch die Heizelemente erzeugt werden, schalten zu können. Hier sind insbesondere IGBTs oder MOSFETs zu nennen, die beide halbleiterbasierte Transistorelemente sind, die es ermöglichen große Ströme zu schalten. Auch wenn diese Halbleiter-Leistungsschalter durch die Halbleiterbauweise vergleichsweise verlustarm arbeiten, entstehen durch die hohen geschalteten Lasten eine Verlustleistung, die die Bauteile schnell erwärmen und ohne Abführung der Wärme zu Einbußen der Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Halbleiter-Leistungsschalter führen.The heating element can also be designed as a heating foil. Different configurations are possible. The heating foils are usually thin plastic foils that contain a coating or a thin electrically conductive material that generates heat when an electrical voltage is applied. This coating or layer of material can be embedded between two plastic films, which then serve as a carrier material for the heating film on both sides. The coating or material layer can be designed as a PTC thermistor with a positive temperature efficiency or act as a conventional ohmic resistor. An advantage of this heating foil as a heating element is the very thin design, which allows it to be attached flexibly to surfaces of different shapes, e.g. flat or curved. The heating foils can also be used advantageously as an electrically insulating heating element against the adjacent components due to the structure with foils as the carrier material. Additional insulating layers can be omitted. The at least one semiconductor power switch arranged in the second heating zone serves essentially to control the heating elements arranged in the first heating zone. In this case, all the usual semiconductor power switches can be used that are suitable for being able to switch the high loads that are generated by the heating elements. In particular, IGBTs or MOSFETs should be mentioned here, both of which are semiconductor-based transistor elements that make it possible to switch large currents. Even if these semiconductor power switches work with comparatively little loss due to the semiconductor design, the high switched loads result in power loss that quickly heats up the components and, without dissipating the heat, leads to losses in the performance and service life of the semiconductor power switches.

Die fluidführenden Wärmetauscherelemente können erfindungsgemäß verschiedenartig gestaltet sein. So können die Wärmetauscherelemente als Rohre, insbesondere als Flachrohre ausgeformt sein, wobei diese Flachrohre zumeist aus Aluminium gefertigt werden. Die Aluminium-Flachrohre können als stranggepresste bzw. stranggegossene Aluminium-Profile mit einer oder mehreren fluidführenden Kammern hergestellt sein, oder auch aus gefalteten und abschließend dicht geschweißtem oder gelötetem Alublech geformt sein. Auch hierbei sind Ausführungen mit einer oder mehreren fluidführenden Kammern möglich. Die Flachrohre sind im Querschnitt mit zwei langen Seiten ausgeführt und mit zwei im Verhältnis zu den langen Seiten deutlich kürzeren schmalen Seiten. Die Übergänge sind meist mit Radien versehen, wobei der Radius so groß gewählt sein kann, dass die komplette schmale Seite eine Kurvenform annimmt und damit komplett abgerundet ist. Die langen Seiten der Flachrohre bilden zweckdienlich die Anlageflächen für die ersten und zweiten Heizzonen. Durch die Flachrohre zirkuliert ein flüssiges Fluid, insbesondere ein Kühlmittel, dass während des Betriebs der elektrischen Heizeinrichtung durch die in der ersten und zweiten Heizzone eingeleitete Wärme erwärmt wird.According to the invention, the fluid-carrying heat exchanger elements can be designed in various ways. For example, the heat exchanger elements can be formed as tubes, in particular as flat tubes, with these flat tubes usually being made of aluminum. The aluminum flat tubes can be produced as extruded or continuously cast aluminum profiles with one or more fluid-carrying chambers, or they can also be formed from aluminum sheet metal that is folded and finally tightly welded or soldered. Here, too, designs with one or more fluid-carrying chambers are possible. The cross-section of the flat tubes is designed with two long sides and two narrow sides that are significantly shorter in relation to the long sides. The transitions are usually provided with radii, whereby the radius can be selected so large that the entire narrow side assumes a curved shape and is therefore completely rounded off. The long sides of the flat tubes expediently form the contact surfaces for the first and second heating zones. A liquid fluid circulates through the flat tubes, in particular a coolant, which is heated during operation of the electrical heating device by the heat introduced into the first and second heating zones.

Die fluidführenden Wärmetauscherelemente können erfindungsgemäß aber auch aus Aluminiumhalbschalen zusammengesetzte, fluidisch durchströmbare Stapelscheibenplatten gebildet werden. Mindestens zwei Halbschalen werden aufeinandergelegt und bilden durch geprägte Strukturen mindestens einen Fluidkanal, der durch ein Fluid, insbesondere ein Kühlmittel durchströmbar ist. Solche Stapel können mehrlagig gestapelt und anschließend mittels eines Löt- oder Klebeprozesses dicht miteinander verbunden werden. Diese Stapelscheibenplatten können wiederum parallel zueinander angeordnet werden und bilden zwischen den einzelnen Stapelscheibenplatten die ersten und zweiten Heizzonen in denen die Heizelemente und Halbleiter-Leistungsschalter angeordnet werden können.According to the invention, however, the fluid-carrying heat exchanger elements can also be formed from stacked disk plates composed of aluminum half-shells through which fluid can flow. At least two half-shells are placed one on top of the other and, by means of embossed structures, form at least one fluid channel through which a fluid, in particular a coolant, can flow. Such stacks can be stacked in multiple layers and then tightly connected to one another by means of a soldering or gluing process. These stacked disk plates can in turn be arranged parallel to one another and between the individual stacked disk plates form the first and second heating zones in which the heating elements and semiconductor circuit breakers can be arranged.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung ist es denkbar, dass die fluidführenden Wärmetauscherelemente durch Rippen gebildet werden, die durch ein Fluid, insbesondere Luft durchströmbar sind, wobei die Rippen aufeinandergestapelt sind, wobei zwischen jeweils zwei Rippen ein Bereich gebildet wird, in dem die ersten und zweiten Heizzonen gebildet werden, in denen die Heizelemente und Halbleiter-Leistungsschalter angeordnet sind. Eine so gebildete elektrische Heizeinrichtung dient in einem Kraftfahrzeug als Luftheizeinrichtung, insbesondere zur Aufwärmung des Fahrgastinnenraums. Dabei erzeugen die Heizelemente und Halbleiter-Leistungsschalter Wärme und geben diese über die Rippen an die Luft ab und erwärmen diese.In a further solution according to the invention, it is conceivable that the fluid-carrying heat exchanger elements are formed by ribs through which a fluid, in particular air, can flow wherein the ribs are stacked on top of each other, with a region being formed between each two ribs in which the first and second heating zones are formed, in which the heating elements and semiconductor power switches are arranged. An electrical heating device formed in this way is used in a motor vehicle as an air heating device, in particular for heating the passenger compartment. The heating elements and semiconductor power switches generate heat and give it off to the air via the ribs and heat it up.

In einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Lösung ist zumindest an einem der fluidführenden Wärmetauscherelemente im Bereich der zweiten Heizzone eine erste Einprägung vorgesehen, wobei in dieser ersten Einprägung ein Halbleiter-Leistungsschalter angeordnet ist. Durch die Einprägung wird es ermöglicht in den ersten und zweiten Heizzonen Heizelemente und Halbleiter-Leistungsschalter zu verwenden, die eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Um auch dickere Halbleiter-Leistungsschalter verwenden zu können, kann daher zweckmäßig die Einprägung auch beidseitig in den fluidführenden Wärmetauscherelementen eingeprägt sein. So können besonders dünne Heizelemente in Kombination mit leistungsstarken, dicken Halbleiter-Leistungsschalter verwendet werden. So kann auf besonders vorteilhafterweise Weise sichergestellt werden, dass die wärmeabgebenden Elemente beidseitig im thermischen Kontakt mit den fluidführenden Wärmetauscherelementen stehen und somit eine optimale Wärmeabfuhr in das Fluid ermöglicht wird.In a further advantageous solution according to the invention, a first indentation is provided on at least one of the fluid-carrying heat exchanger elements in the area of the second heating zone, with a semiconductor circuit breaker being arranged in this first indentation. The embossing makes it possible to use heating elements and semiconductor power switches that have different thicknesses in the first and second heating zones. In order to also be able to use thicker semiconductor power switches, the embossing can therefore expediently also be embossed on both sides in the fluid-carrying heat exchanger elements. Particularly thin heating elements can be used in combination with powerful, thick semiconductor circuit breakers. In this way, it can be ensured in a particularly advantageous manner that the heat-emitting elements are in thermal contact with the fluid-carrying heat exchanger elements on both sides, thus enabling optimum heat dissipation into the fluid.

In einer weiteren vorteilhaften Lösung ist die Einprägung derart geformt, dass mindestens zwei Flanken der Einprägung den Halbleiter-Leistungsschalter formschlüssig aufnehmen und dieser somit sicher zwischen den beiden fluidführenden Wärmetauscherelementen gehalten wird. Für eine optimale Fixierung der Halbleiter-Leistungsschalter, auch bei starken Vibrationen im Fahrzeug, kann zwischen dem ersten und/oder zweiten fluidführenden Wärmetauscherelement und mindestens einer Seite des Halbleiter-Leistungsschalters ein Klemmelement angeordnet sein, das den Halbleiter-Leistungsschalter sicher positioniert. Dieses Klemmelement ist zweckmäßig elastisch federnd ausgeführt und spannt somit den Halbleiter-Leistungsschalter fest. Typischerweise ist so ein Klemmelement aus Metall insbesondere aus einem Blech oder Federstahl gebildet, dass eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, damit trotz Einsatz eines Klemmelements ein guter thermischer Übergang in die fluidführenden Wärmetauscherelemente ermöglicht wird. Durch den Einsatz von solch einem Klemmelement können zudem auch Toleranzen zwischen der Anordnung der fluidführenden Wärmetauscherelemente sowie des Halbleiter-Leistungsschalters ausgeglichen werden.In a further advantageous solution, the embossing is shaped in such a way that at least two flanks of the embossing receive the semiconductor circuit breaker in a form-fitting manner and this is thus held securely between the two fluid-carrying heat exchanger elements. For optimal fixation of the semiconductor circuit breaker, even with strong vibrations in the vehicle, a clamping element can be arranged between the first and/or second fluid-carrying heat exchanger element and at least one side of the semiconductor circuit breaker, which securely positions the semiconductor circuit breaker. This clamping element is expediently designed to be elastically resilient and thus tightens the semiconductor circuit breaker. Typically, such a metal clamping element is formed in particular from sheet metal or spring steel that has good thermal conductivity, so that a good thermal transfer into the fluid-carrying heat exchanger elements is made possible despite the use of a clamping element. By using such a clamping element, tolerances between the arrangement of the fluid-carrying heat exchanger elements and the semiconductor circuit breaker can also be compensated.

In einer weiteren vorteilhaften erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen dem ersten und/oder zweiten fluidführenden Wärmetauscherelement und mindestens einer Seite des Halbleiter-Leistungsschalters eine elektrisch isolierende Schicht angeordnet, um einen Abfluss von elektrischem Strom vom oder zum Halbleiter-Leistungsschalters zu verhindern. Zweckmäßig kann solch eine elektrisch isolierende Schicht eine Klebeschicht, insbesondere eine Silikon-Klebeschicht oder eine Schicht aus Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad sein. So kann neben einer elektrischen Isolierung auch der Wärmeübergang vom Halbleiter-Leistungsschalter zum fluidführenden Wärmetauscherelement vorteilhaft verbessert und/oder auch eine verbesserte Fixierung des Halbleiter-Leistungsschalters erzielt werden. Zudem kann durch die Positionierung einer solchen Isolationsschicht auch ein Toleranzausgleich zwischen den fluidführenden Wärmetauscherelementen sowie des Halbleiter-Leistungsschalters ermöglicht werden.In a further advantageous solution according to the invention, an electrically insulating layer is arranged between the first and/or second fluid-carrying heat exchanger element and at least one side of the semiconductor circuit breaker in order to prevent electrical current from flowing away from or to the semiconductor circuit breaker. Such an electrically insulating layer can expediently be an adhesive layer, in particular a silicone adhesive layer or a layer of thermally conductive paste or a thermally conductive pad. In this way, in addition to electrical insulation, the heat transfer from the semiconductor power switch to the fluid-carrying heat exchanger element can also be advantageously improved and/or an improved fixation of the semiconductor power switch can also be achieved. In addition, the positioning of such an insulating layer can also enable tolerance compensation between the fluid-carrying heat exchanger elements and the semiconductor circuit breaker.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen beschrieben. In dieser zeigen:

  • 1 eine erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung zur Erwärmung eines Fluids, insbesondere von Kühlmittel
  • 2 eine perspektivische Detaildarstellung der Wärmetauscherelemente mit Halbleiter-Leistungsschalter
  • 3 eine Detaildarstellung eines Halbleiter-Leistungsschalters auf einem Wärmetauscherelement
  • 4 eine Detailansicht eines Halbleiter-Leistungsschalters zwischen zwei Wärmetauscherelementen
  • 5 eine Detailansicht eines Halbleiter-Leistungsschalters zwischen zwei Wärmetauscherelementen mit einem Klemmelement
  • 6 eine erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung zur Erwärmung eines Fluids, insbesondere von Luft
Further advantageous configurations of the invention are described by the following figure descriptions. In this show:
  • 1 an electric heating device according to the invention for heating a fluid, in particular a coolant
  • 2 a detailed perspective view of the heat exchanger elements with semiconductor circuit breakers
  • 3 a detailed view of a semiconductor power switch on a heat exchanger element
  • 4 a detailed view of a semiconductor power switch between two heat exchanger elements
  • 5 a detailed view of a semiconductor circuit breaker between two heat exchanger elements with a clamping element
  • 6 an electric heating device according to the invention for heating a fluid, in particular air

Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention

Die 1 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung 1 für das Erwärmen von einem Fluid FL. Als Fluid FL kann hier ein Kühlmittel bzw. Wärmemittel auf Basis von Wasser mit einer optionalen Glykol-Beimengung verwendet werden, um die Frostbeständigkeit der Mischung sicherzustellen, oder auch von Öl oder anderen für die Wärmeübertragung geeigneten Fluiden. Solche elektrische Heizeinrichtungen können in einem Kraftfahrzeug in einem Kühlkreislauf angeordnet werden und dienen der gezielten Erwärmung des im Kühlkreislauf eingesetzten Fluids FL. So kann das erwärmte Fluid FL beispielsweise dazu dienen einen Kühlkreislauf auf eine optimale Mindesttemperatur zu bringen - wie zum Beispiel die Temperierung eines Batterie- oder Elektronikkühlkreislaufs - oder auch zur alleinigen oder unterstützenden Erwärmung eines Kühl- bzw. Heizkreislaufs zur Temperierung eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs. Hierbei wird die in den Kühl- bzw. Heizkreislauf eingebrachte Wärme über einen geeigneten Heizkörper an den Innenraum abgegeben.The 1 shows a sectional side view of a first exemplary embodiment of an electrical heating device 1 according to the invention for heating a fluid FL. A coolant or heating medium based on water with an optional addition of glycol can be used here as fluid FL, in order to ensure the frost resistance of the mixture, or also on oil or other fluids suitable for heat transfer. Such electrical heating devices can be arranged in a motor vehicle in a cooling circuit and are used for the targeted heating of the fluid FL used in the cooling circuit. The heated fluid FL can be used, for example, to bring a cooling circuit to an optimal minimum temperature - such as the temperature control of a battery or electronic cooling circuit - or also for the sole or supporting heating of a cooling or heating circuit for temperature control of an interior of a motor vehicle. Here, the heat introduced into the cooling or heating circuit is given off to the interior via a suitable radiator.

Die elektrische Heizeinrichtung 1 weist hierfür Ein- und Auslässe für das Fluid FL auf, die das zu erwärmende Fluid FL entsprechend aus dem Gehäuse 2 der elektrischen Heizeinrichtung 1 ein- und ausleiten. Das Fluid FL gelangt in einen ersten Sammler 12 und wird dort dann auf einzelne Wärmetauscherelemente 3,3' verteilt.For this purpose, the electrical heating device 1 has inlets and outlets for the fluid FL, which correspondingly direct the fluid FL to be heated in and out of the housing 2 of the electrical heating device 1 . The fluid FL reaches a first collector 12 and is then distributed there to individual heat exchanger elements 3,3'.

Die Wärmetauscherelemente 3,3' bestehen aus stranggepressten Aluminiumflachrohren, können aber auch als gefaltete und dichtgeschweißt bzw. dichtgelöteten Flachrohren ausgebildet sein. Üblicherweise sind solche gefalteten Rohre aus einem Aluminiumwerkstoff gebildet, aber es ist auch denkbar, dass hier ein anderer metallischer Werkstoff wie beispielsweise Edelstahl zum Einsatz kommt. Die Wärmetauscherelemente 3,3' werden in entsprechende Öffnungen im Sammler 12,12' gesteckt und abgedichtet. Die Abdichtung kann durch separate Dichtelemente oder auch durch gemeinsames Verlöten oder Verschweißen von Sammler 12,12' und Wärmetauscherelemente 3,3' realisiert werden. Im Falle eines Verlötens oder Verschweißens muss der Sammler 12,12' ebenfalls aus Aluminium oder aus einem anderen metallischen Werkstoff, wie beispielsweise Edelstahl, gebildet sein. Ohne die thermischen Fügeverfahren ist auch die Verwendung eines Sammlers 12,12'aus Kunststoff denkbar. Es ist auch möglich, dass die Rohre in den Sammler 12,12' eingeklebt werden. Hierfür können übliche Dichtstoffe wie beispielsweise Silikon oder andere für den entsprechenden Anwendungsfall geeignete Industrieklebstoffe zum Einsatz kommen.The heat exchanger elements 3, 3' consist of extruded aluminum flat tubes, but can also be designed as folded and seal-welded or seal-soldered flat tubes. Such folded tubes are usually formed from an aluminum material, but it is also conceivable that another metallic material such as stainless steel is used here. The heat exchanger elements 3,3' are inserted into corresponding openings in the collector 12,12' and sealed. The seal can be realized by separate sealing elements or by joint soldering or welding of collectors 12,12' and heat exchanger elements 3,3'. In the case of soldering or welding, the collector 12, 12' must also be made of aluminum or of another metallic material, such as stainless steel. The use of a collector 12, 12' made of plastic is also conceivable without the thermal joining process. It is also possible for the pipes to be glued into the collector 12, 12'. Conventional sealants such as silicone or other industrial adhesives suitable for the relevant application can be used for this purpose.

Vom ersten Sammler 12 gelangt das Fluid FL über die Wärmetauscherelemente 3,3' in den zweiten Sammler 12' und verlässt dort dann über einen Auslass 14 die elektrische Heizeinrichtung 1. Über zwischen einem ersten Wärmetauscherelement 3 und einem zweiten Wärmetauscherelement 3', in einer ersten Heizzone 4, angeordnete Heizelemente 5,6,20 wird das in den Wärmetauscherelementen 3,3' geführte Fluid FL erwärmt. Hierzu werden die Heizelementen 5,6,20 bestromt und über entsprechende Halbleiter-Leistungsschalter 7 an- und ausgeschaltet. Hierdurch erhitzen sich die Heizelementen 5,6,20 entsprechend und geben die erzeugte Wärme an die Wärmetauscherelemente 3,3' und das darin geführte Fluid FL ab. Die Halbleiter-Leistungsschalter 7 sind in einer zweiten Heizzone zwischen einem ersten Wärmetauscherelement 3 und einem zweiten Wärmetauscherelement 3' angeordnet.From the first collector 12, the fluid FL passes via the heat exchanger elements 3, 3' into the second collector 12' and then leaves the electric heating device 1 there via an outlet 14. Via between a first heat exchanger element 3 and a second heat exchanger element 3', in a first Heating zone 4, arranged heating elements 5,6,20 is heated in the heat exchanger elements 3,3 'out fluid FL. For this purpose, the heating elements 5, 6, 20 are energized and switched on and off via corresponding semiconductor power switches 7. As a result, the heating elements 5,6,20 heat up accordingly and transfer the heat generated to the heat exchanger elements 3,3' and the fluid FL conducted therein. The semiconductor power switches 7 are arranged in a second heating zone between a first heat exchanger element 3 and a second heat exchanger element 3'.

Als Heizelemente 5,6,20 können beispielsweise PTC-Heizelemente 5 vorgesehen sein, die aus einem keramischen Werkstoff z.B. auf Basis von BaTiO3 bestehen, welche einen temperaturabhängigen ohmschen Widerstand aufweisen. Dies bedeutet, dass der ohmsche Widerstand mit steigender Temperatur des PTC-Heizelements 5 steigt und somit eine selbstständige Abregelung des PTC-Heizelements 5 stattfindet. Üblicherweise ist dieser Widerstandsverlauf bei PTC-Heizelementen 5 nicht linear, sondern steigt bei Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur sprunghaft an. Somit entsteht ein vorteilhafter Regeleffekt, der die elektrische Heizeinrichtung vor einer Überhitzung schützt.PTC heating elements 5, for example, can be provided as heating elements 5, 6, 20, which consist of a ceramic material, for example based on BaTiO 3 , which have a temperature-dependent ohmic resistance. This means that the ohmic resistance increases as the temperature of the PTC heating element 5 rises, and the PTC heating element 5 is therefore automatically regulated. Usually, this resistance profile is not linear in the case of PTC heating elements 5, but increases suddenly when a specific limit temperature is exceeded. This creates an advantageous control effect that protects the electrical heating device from overheating.

Dickschicht-Heizelemente 6 stellen eine weitere Möglichkeit dar über einen ohmschen Widerstand, Wärme zu erzeugen und diese an die Wärmetauscherelemente 3,3' abzugeben. Solche Dickschicht-Heizelemente 6 bestehen dabei meist aus Heizleiter- oder Widerstandslegierungen, die einen relativ konstanten, elektrischen Widerstand über einen breiten Temperaturbereich bieten. Diese Dickschicht-Heizelemente 6 können als massive an die Form der Wärmetauscherelemente 3,3' angepasste Bauteile, als Heizdrähte oder auch auf einem Trägermaterial z.B. einer Heizfolie 20 oder einer PCB-Leiterplatte aufgedruckt bzw. aufgebracht sein.Thick-film heating elements 6 represent a further possibility, via an ohmic resistance, of generating heat and dissipating it to the heat exchanger elements 3, 3'. Such thick-film heating elements 6 usually consist of heat conductor or resistance alloys that offer a relatively constant electrical resistance over a wide temperature range. These thick-film heating elements 6 can be printed or applied as solid components adapted to the shape of the heat exchanger elements 3, 3', as heating wires or also on a carrier material, e.g. a heating foil 20 or a PCB.

Die Heizelemente 5,6,20 können zwischen den Wärmetauscherelemente 3,3' mechanisch gehalten werden oder auch geklebt sein. Es ist denkbar, dass zwischen den Heizelementen und den Wärmetauscherelementen 3,3' noch eine besonders gut wärmeübertragende Schicht angeordnet ist, die beispielsweise durch ein Wärmeleitpad, eine Klebstoffschicht oder eine TIM-Schicht (Thermal Interface Material) gebildet ist.The heating elements 5,6,20 can be held mechanically between the heat exchanger elements 3,3' or can also be glued. It is conceivable that between the heating elements and the heat exchanger elements 3, 3' there is also a particularly good heat-transferring layer, which is formed for example by a thermally conductive pad, an adhesive layer or a TIM layer (thermal interface material).

Für einen besonderen Schutz der elektrischen Elemente können die Heizelemente 5,6,20 und die Wärmetauscherelemente 3,3' zumindest im Bereich der Heizelemente 5,6,20 durch ein geeignetes Material vergossen sein, so dass ein Feuchtigkeitsschutz entsteht.For special protection of the electrical elements, the heating elements 5,6,20 and the heat exchanger elements 3,3' can be encapsulated with a suitable material at least in the area of the heating elements 5,6,20, so that protection against moisture is created.

Die Ansteuerung der Heizelemente 5,6,20 erfolgt über eine entsprechende Regelungseinrichtung 15, die die elektrische Heizeinrichtung 1 bedarfsgerecht regelt. Es ist denkbar, dass die Regelungseinrichtung 15 über entsprechende Sensoren, oder über eine außerhalb der elektrische Heizeinrichtung 1 angeordnetes Steuergerät entsprechende Anweisungen erhält. Üblicherweise enthalten solche elektrische Heizeinrichtungen 1 auch Schutzschaltungen, um eine Beschädigung oder Überhitzung zu verhindern.The heating elements 5,6,20 are controlled via a corresponding control device device 15, which regulates the electric heater 1 as needed. It is conceivable that the control device 15 receives corresponding instructions via corresponding sensors or via a control device arranged outside of the electrical heating device 1 . Such electrical heating devices 1 usually also contain protective circuits in order to prevent damage or overheating.

2 gibt eine perspektivische Detailansicht auf eine weitere Ausführungsform einer elektrischen Heizeinrichtung 1 mit stranggepressten Aluminium-Flachrohren als Wärmetauscherelement 3,3', durch die ein Fluid FL strömt und zwischen denen erste und zweite Heizzonen 4,4' angeordnet sind. In der ersten Heizzone 4 sind Heizelemente 5,6,20 angeordnet, die mittels Kontaktblechen 18 elektrisch angeschlossen werden können, wobei die Kontaktbleche auch für die elektrische Isolierung der Heizelemente 5,6,20 zu den Wärmetauscherelement 3,3' sorge tragen. Hierfür sind geeignete Beschichtungen oder weitere Schichten vorstellbar, die einerseits für einen guten thermischen Kontakt zu dem Wärmetauscherelement 3,3'sorgen aber auch elektrisch wirkend sind. Die in den zweiten Heizzonen 4' angeordneten Halbleiter-Leistungsschalter 7 sind in Einprägungen 8 angeordnet, die durch die Wärmetauscherelemente 3,3' gebildet wird. Hierdurch können Halbleiter-Leistungsschalter 7 eingesetzt werden, die dicker als die verwendeten Heizelemente 5,6,20 sind. Dabei kann je nach Einbausituation die Einprägung auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Wärmetauscherelemente 3,3' gebildet werden. Damit können auch sehr dicke Halbleiter-Leistungsschalter 7 verwendet werden. Je nach verwendeten Typen von Halbleiter-Leistungsschalter 7 kann auch noch eine, ein- bzw. auch zweiseitig elektrisch isolierende Schicht 10 zwischen Wärmetauscherelemente 3,3' und Halbleiter-Leistungsschalter 7 angebracht werden. Durch solche Schichten können Fertigungstoleranzen der Wärmetauscherelemente 3,3' und der eingebrachten Einprägungen 8 ausgeglichen werden und in allen Fällen ein fester Sitz, sowie optimaler thermischer Kontakt sichergestellt werden. Die elektrisch isolierende Schicht 10 kann auch in vorteilhafter Weise besonders gut wärmeleitfähig sein. Die Heizelemente 5,6,20 sowie auch die Halbleiter-Leistungsschalter 7 werden durch Anschlussklemmen 19, die zwischen den Wärmetauscherelementen 3,3' herausgeführt werden elektrisch kontaktiert. 2 is a perspective detailed view of a further embodiment of an electrical heating device 1 with extruded aluminum flat tubes as a heat exchanger element 3,3 'through which a fluid FL flows and between which first and second heating zones 4,4' are arranged. Arranged in the first heating zone 4 are heating elements 5,6,20 which can be electrically connected by means of contact plates 18, the contact plates also being responsible for the electrical insulation of the heating elements 5,6,20 from the heat exchanger element 3,3'. Suitable coatings or other layers are conceivable for this purpose, which on the one hand ensure good thermal contact with the heat exchanger element 3, 3′ but also have an electrical effect. The semiconductor power switches 7 arranged in the second heating zones 4' are arranged in impressions 8 which are formed by the heat exchanger elements 3, 3'. As a result, semiconductor power switches 7 can be used which are thicker than the heating elements 5,6,20 used. Depending on the installation situation, the embossing can be formed on one side or on both sides of the heat exchanger element 3,3'. This means that very thick semiconductor circuit breakers 7 can also be used. Depending on the type of semiconductor circuit breaker 7 used, a layer 10 that is electrically insulating on one or both sides can also be applied between the heat exchanger elements 3 , 3 ′ and the semiconductor circuit breaker 7 . Such layers can compensate for manufacturing tolerances of the heat exchanger elements 3, 3′ and the indentations 8 made, and in all cases a tight fit and optimum thermal contact can be ensured. The electrically insulating layer 10 can also advantageously have particularly good thermal conductivity. The heating elements 5,6,20 as well as the semiconductor power switches 7 are electrically contacted by connection terminals 19, which are brought out between the heat exchanger elements 3,3'.

Die 3 zeigt die Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen, elektrischen Heizeinrichtung 1, wobei das Wärmetauscherelement 3,3' im Bereich der zweiten Heizzone 4' eine Einprägung 8 aufweist, in der ein Halbleiter-Leistungsschalter 7 angeordnet ist. Zwischen dem Wärmetauscherelement 3,3' und dem Halbleiter-Leistungsschalter 7 ist eine elektrische isolierende Schicht 10 angebracht, die für eine elektrische Trennung der beiden Komponenten sorgt, wobei die Schicht 10 auch für eine besonders gute Wärmeleitung zwischen dem Halbleiter-Leistungsschalter 7 sorgen kann. Dabei kann die elektrisch isolierende Schicht 10 auf nur einer aber auch auf beiden Seiten des Halbleiter-Leistungsschalters 7 angebracht sein. In der Regel muss aber zumindest eine Seite des Halbleiter-Leistungsschalters 7 bauartbedingt elektrisch isoliert werden. Es ist aber auch vorstellbar, vollständig gekapselte Halbleiter-Leistungsschalter 7 einzusetzen und somit auf die elektrische Isolierung zu verzichten. Aber auch in diesen Fällen kann die Anbringung einer besonders gut wärmeleitenden Schicht 10, beispielsweise einem Wärmeleitpad bzw. das Verkleben mit einem Silikon- oder anderweitigem Klebstoff zweckmäßig sein.The 3 shows the detailed illustration of an electrical heating device 1 according to the invention, wherein the heat exchanger element 3, 3' has an indentation 8 in the region of the second heating zone 4', in which a semiconductor circuit breaker 7 is arranged. An electrically insulating layer 10 is applied between the heat exchanger element 3, 3' and the semiconductor power switch 7, which ensures electrical separation of the two components, with the layer 10 also being able to ensure particularly good heat conduction between the semiconductor power switch 7. In this case, the electrically insulating layer 10 can be applied to only one side of the semiconductor circuit breaker 7, but it can also be applied to both sides. As a rule, however, at least one side of the semiconductor circuit breaker 7 must be electrically insulated due to the design. However, it is also conceivable to use fully encapsulated semiconductor circuit breakers 7 and thus dispense with the electrical insulation. But even in these cases, the attachment of a particularly good thermally conductive layer 10, for example a thermally conductive pad or gluing with a silicone or other adhesive can be expedient.

Die Einprägung 8 kann durch mechanisches Umformen des Wärmetauscherelements 3,3' beispielsweise drücken, stanzen, stempeln, prägen oder durch eine mechanische spanende Bearbeitung des Wärmetauscherelements 3,3', wie beispielsweise Fräsen sowie durch andere geeignete Herstellverfahren eingebracht werden. Durch die Einprägung wird die Auflagefläche der zweiten Heizzone 4' auf eine andere Ebene gebracht wie die Auflagefläche der ersten Heizzone 4, somit können Leistungs-Halbschalter 7 verwendet werden, die dicker sind als die Heizelemente 5,6,20.The embossing 8 can be made by mechanically forming the heat exchanger element 3,3', for example by pressing, stamping, stamping, embossing, or by mechanically machining the heat exchanger element 3,3', such as milling, or by other suitable manufacturing processes. Due to the embossing, the bearing surface of the second heating zone 4' is brought to a different level than the bearing surface of the first heating zone 4, so power half-switches 7 can be used which are thicker than the heating elements 5,6,20.

In der 4 ist eine weitere, erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt, die einen zwischen zwei Wärmetauscherelementen 3,3', in einer zweiten Heizzone 4' angeordneten Halbleiter-Leistungsschalter 7 darstellt. Der Halbleiter-Leistungsschalter 7 ist in zwei in den Wärmetauscherelementen 3,3 eingebrachten Einprägungen 8 angeordnet. Eine elektrische, isolierende Schicht 10 trennt den Halbleiter-Leistungsschalter 7 elektrisch von den Wärmetauscherelementen 3,3. Die Einprägung 8 weist diese Flanken 9,9' auf, die derart dimensioniert sind, dass der Halbleiter-Leistungsschalter 7 zumindest an einer Seite fixiert wird. Zusätzlich kann auch noch eine Klebeschicht, z.B: aus einem Silikon oder auch einem anderen geeigneten Klebstoff verwendet werden. Es ist auch denkbar, dass bis zu vier Flanken 9,9' genutzt werden, um den Halbleiter-Leistungsschalter 7 zu fixieren. Neben der zweiten Heizzone 4' ist die erste Heizzone 4 angeordnet, in denen die Heizelemente 5,6,20 aufgenommen sind.In the 4 a further embodiment according to the invention is shown, which shows a semiconductor circuit breaker 7 arranged between two heat exchanger elements 3,3' in a second heating zone 4'. The semiconductor circuit breaker 7 is arranged in two indentations 8 made in the heat exchanger elements 3 , 3 . An electrical, insulating layer 10 electrically separates the semiconductor circuit breaker 7 from the heat exchanger elements 3,3. The embossing 8 has these flanks 9, 9', which are dimensioned in such a way that the semiconductor power switch 7 is fixed at least on one side. In addition, an adhesive layer, for example made of silicone or another suitable adhesive, can also be used. It is also conceivable that up to four flanks 9, 9' are used in order to fix the semiconductor circuit breaker 7 in place. The first heating zone 4, in which the heating elements 5,6,20 are accommodated, is arranged next to the second heating zone 4'.

Die 5 ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der der Halbleiter-Leistungsschalter 7 in einer Einprägung 8 in einem Wärmetauscherelement 3 angeordnet ist, wobei die zweite Seite des Halbleiter-Leistungsschalters 7 ohne Einprägung, aber mittels einer elektrisch isolierenden Schicht 10 am Wärmetauscherelement 3' anliegt. In der Einprägung 8 wird der Halbleiter-Leistungsschalter 7 mit einem vorgespannten Klemmelement 11 fixiert. Das Klemmelement 11 ist als metallische Klammer ausgeführt und ermöglicht einerseits die sichere Fixierung und andererseits einen guten thermischen Kontakt des Halbleiter-Leistungsschalters 7 mit dem Wärmetauscherelement 3.The 5 is a further embodiment according to the invention, in which the semiconductor power switch 7 is arranged in an indentation 8 in a heat exchanger element 3, the second side of the semiconductor power switch 7 being in contact with the heat exchanger element 3' without an indentation, but by means of an electrically insulating layer 10. In the embossing 8, the semiconductor power circuit ter 7 fixed with a prestressed clamping element 11. The clamping element 11 is designed as a metal clamp and on the one hand enables secure fixing and on the other hand a good thermal contact of the semiconductor circuit breaker 7 with the heat exchanger element 3.

Die 6 als weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung 1 für das Erwärmen von Luft in einem Kraftfahrzeug. Solch eine elektrische Heizeinrichtung 1 kann beispielsweise in der Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs angeordnet sein und dort zur Erwärmung des in den Innenraum des Kraftfahrzeugs strömenden Luft dienen. Durch den Einsatz solch einer elektrischen Heizeinrichtung 1 kann somit eine vorteilhafte besonders schnelle und effiziente Erwärmung der einströmenden Luft erzielt werden, wie es beispielsweise bei elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen unbedingt notwendig ist, da es hier keinen Verbrennungsmotor mehr gibt, der mit seiner relativ großen Verlustwärme genügend Wärmeenergie bereitstellt, um den Innenraum zu heizen. Aber auch zur unterstützenden Aufheizung des Innenraums bei Kraftfahrzeugen mit effizienten Dieselmotoren oder um ein besonders komfortables Fahrerlebnis mit warmem Innenraum schon bei Start des Kraftfahrzeugs zu erzielen, können solche elektrische Heizeinrichtungen 1 zum Einsatz kommen.The 6 as a further exemplary embodiment of an electric heating device 1 according to the invention for heating air in a motor vehicle. Such an electrical heating device 1 can be arranged, for example, in the air conditioning system of a motor vehicle and can be used there to heat the air flowing into the interior of the motor vehicle. By using such an electrical heating device 1, an advantageous, particularly fast and efficient heating of the inflowing air can be achieved, as is absolutely necessary, for example, in electrically operated motor vehicles, since there is no longer an internal combustion engine here that, with its relatively large heat loss, generates sufficient thermal energy provided to heat the interior. However, such electrical heating devices 1 can also be used to support the heating of the interior of motor vehicles with efficient diesel engines or to achieve a particularly comfortable driving experience with a warm interior as soon as the motor vehicle is started.

Die erfindungsgemäße elektrische Heizeinrichtung 1 besteht aus einem Gehäuse 2, das elektrische Anschlüsse, Steuerplatinen und weitere notwendige Komponenten beinhaltet, die für die Installation und den Betrieb der elektrischen Heizeinrichtung erforderlich sind. Am Gehäuse angeordnet befindet sich das Heiznetz 17, das mehrere Wärmetauscherelemente 3,3' in Form von Wellrippen aufweist und zwischen einzelnen Wärmetauscherelemente 3,3' mehrere PTC-Heizelemente 5 oder Dickschicht-Heizelemente 6 in ersten Heizzonen 4 sowie Halbleiter-Leistungsschalter 7 in zweiten Heizzonen 4' aufnimmt.The electrical heating device 1 according to the invention consists of a housing 2, which contains electrical connections, control boards and other necessary components that are required for the installation and operation of the electrical heating device. Arranged on the housing is the heating network 17, which has several heat exchanger elements 3,3' in the form of corrugated fins and between individual heat exchanger elements 3,3' several PTC heating elements 5 or thick-film heating elements 6 in the first heating zones 4 and semiconductor power switches 7 in the second Heating zones 4 'records.

Die Wärmetauscherelemente 3,3' werden von Luft als Fluid FL durchströmt und geben dabei die von den Heizelementen 5,6,20 erzeugte Wärme an die Luft ab. Zweckmäßig sind die Wärmetauscherelemente 3,3' dafür als Wellrippen geformt, die aus einem gefalteten dünnen Alublech bestehen und eine möglichst große Oberfläche zur Wärmeabgabe bilden.Air flows through the heat exchanger elements 3,3' as a fluid FL and in the process releases the heat generated by the heating elements 5,6,20 to the air. The heat exchanger elements 3, 3' are expediently formed as corrugated fins, which consist of a folded, thin aluminum sheet and form the largest possible surface area for dissipating heat.

In der dargestellten Ausführungsform werden die PTC-Heizelemente 5 oder Dickschicht-Heizelemente 6 sowie die Halbleiter-Leistungsschalter 7 zwischen zwei Kontaktblechen 18 angeordnet, die die erforderlichen elektrischen Anschlüsse zur Ansteuerung der Heizelemente 5,6,20 sowie der Halbleiter-Leistungsschalter 7 aufweisen und somit zusammenhängende Heizstäbe 16 bilden.In the embodiment shown, the PTC heating elements 5 or thick-film heating elements 6 and the semiconductor power switches 7 are arranged between two contact plates 18, which have the necessary electrical connections for controlling the heating elements 5,6,20 and the semiconductor power switches 7 and thus contiguous heating rods 16 form.

Die Heizstäbe 16 und die Wärmetauscherelemente 3,3' in Form von Wellrippen sind abwechselnd übereinandergestapelt. Wobei nicht jeder Heizstab 16 erste und zweite Heizzonen 4,4' aufweisen muss, sondern beispielsweise nur mit PTC-Heizelementen 5 oder Dickschicht-Heizelementen 6 bestückt sein könnte.The heating rods 16 and the heat exchanger elements 3, 3' in the form of corrugated fins are stacked alternately one on top of the other. Each heating rod 16 does not have to have first and second heating zones 4, 4', but could only be equipped with PTC heating elements 5 or thick-film heating elements 6, for example.

BezugszeichenlisteReference List

11
Elektrische HeizeinrichtungElectrical heating device
22
GehäuseHousing
3, 3'3, 3'
Wärmetauscherelementheat exchanger element
4, 4'4, 4'
Heizzoneheating zone
55
PTC HeizelementPTC heating element
66
Dickschicht-Heizelementthick film heating element
77
Halbleiter-Leistungsschaltersemiconductor circuit breaker
88th
Einprägungimprint
9,9'9.9'
Flankenflanks
1010
elektrisch isolierende Schichtelectrically insulating layer
1111
Klemmelementclamping element
12,12'12,12'
Sammlercollector
1313
Einlassinlet
1414
Auslassoutlet
1515
Regelungseinrichtungcontrol device
1616
Heizstabheater
1717
Heiznetzheating network
1818
Kontaktblechcontact plate
1919
Anschlussklemmenterminals
2020
Heizfolieheating foil
FLFL
FluidFluid

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 2884817 A1 [0003]EP 2884817 A1 [0003]

Claims (11)

Elektrische Heizeinrichtung (1), insbesondere für die Erwärmung eines Fluids (FL) in einem Kraftfahrzeug, mit einem Gehäuse (2), mit parallel nebeneinander angeordneten ersten und zweiten fluidführenden Wärmetauscherelementen (3, 3') dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscherelement (3, 3') eine erste und eine zweite Heizzone (4, 4') geformt wird, wobei in der ersten Heizzone (4) wenigstens ein Heizelement (5, 6), das durch einen ohmschen Widerstand eines passiven Bauelements Wärme erzeugt, und in der zweiten Heizzone (4') mindestens ein eine Verlustleistung erzeugender elektrischer Halbleiter-Leistungsschalter (7) angeordnet sind.Electrical heating device (1), in particular for heating a fluid (FL) in a motor vehicle, with a housing (2), with first and second fluid-carrying heat exchanger elements (3, 3') arranged parallel to one another, characterized in that between the first and the second heat exchanger element (3, 3') a first and a second heating zone (4, 4') are formed, wherein in the first heating zone (4) at least one heating element (5, 6) which generates heat through an ohmic resistance of a passive component , and in the second heating zone (4') at least one electrical semiconductor power switch (7) generating a power loss are arranged. Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Wärmetauscherelement (3, 3') im Bereich der zweiten Heizzone (4, 4') mindestens eine Einprägung (8) aufweist und im Bereich der Einprägung (8) der elektrische Halbleiter-Leistungsschalter (7) angeordnet ist.Electrical heating device (1) after claim 1 characterized in that the first and/or the second heat exchanger element (3, 3') has at least one indentation (8) in the area of the second heating zone (4, 4') and in the area of the indentation (8) the electrical semiconductor circuit breaker ( 7) is arranged. Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Einprägung (8) im Bereich der zweiten Heizzone (4, 4') derart geformt ist, dass sie an mindestens zwei Flanken (9,9') den in der mindestens einen Einprägung (8) angeordneten elektrischen Halbleiter-Leistungsschalter (7) formschlüssig aufnimmt.Electrical heating device (1) after claim 2 characterized in that the at least one embossing (8) in the area of the second heating zone (4, 4') is shaped in such a way that on at least two flanks (9,9') the electrical semiconductor arranged in the at least one embossing (8). - Circuit breaker (7) positively accommodates. Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine elektrische Halbleiter-Leistungsschalter (7) im Bereich der zweiten Heizzone (4, 4') beidseitig im thermischen Kontakt mit dem ersten und zweiten Wärmetauscherelement (3, 3') steht.Electrical heating device (1) after claim 1 , 2 or 3 characterized in that the at least one electrical semiconductor power switch (7) is in thermal contact with the first and second heat exchanger element (3, 3') in the region of the second heating zone (4, 4') on both sides. Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und/oder zweiten Wärmetauscherelement (3, 3') und mindestens einer Seite des elektrischen Halbleiter-Leistungsschalters (7) eine elektrisch isolierende Schicht (10) angeordnet ist.Electrical heating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that an electrically insulating layer (10) is arranged between the first and/or second heat exchanger element (3, 3') and at least one side of the electrical semiconductor circuit breaker (7). Elektrische Heizeinrichtung (1) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch isolierende Schicht (10) eine Klebeschicht, insbesondere eine Silikon-Klebeschicht oder eine Schicht aus Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad ist.Electrical heating device (1) after claim 5 characterized in that the electrically insulating layer (10) is an adhesive layer, in particular a silicone adhesive layer or a layer of thermally conductive paste or a thermally conductive pad. Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und/oder zweiten Wärmetauscherelement (3, 3') und mindestens einer Seite des elektrischen Halbleiter-Leistungsschalters (7) ein Klemmelement (11) angeordnet ist.Electrical heating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a clamping element (11) is arranged between the first and/or second heat exchanger element (3, 3') and at least one side of the electrical semiconductor circuit breaker (7). Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die erste Heizzone (4) eine mindestens halb so hohe Wärmeleistung aufweist wie die zweite Heizzone (4').Electrical heating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first heating zone (4) has a heat output which is at least half as high as that of the second heating zone (4'). Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherelemente (3, 3') extrudierte Aluminium Flachrohre, gefalzte und dicht geschweißte Aluminium Flachrohre oder aus mindestens zwei Aluminiumhalbschalen zusammengesetzte, fluidisch durchströmbare Stapelscheibenplatten sind.Electrical heating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger elements (3, 3') are extruded aluminum flat tubes, folded and tightly welded aluminum flat tubes or stacked disk plates composed of at least two aluminum half-shells through which fluid can flow. Elektrische Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Heizelement (5,6,20) ein PTC-Heizelement (5), ein Dickschicht-Heizelement (6) oder eine Heizfolie (20) ist.Electrical heating device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heating element (5,6,20) is a PTC heating element (5), a thick-film heating element (6) or a heating foil (20). Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Heizeinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Motor vehicle with an electric heating device (1) according to one of the preceding claims.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP2884817A1 (en) 2013-12-13 2015-06-17 Eberspächer catem GmbH & Co. KG Electric heating device and method for its production

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