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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizgerät.
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Elektrische Heizgeräte zur Erwärmung eines Medienstromes, beispielsweise Wasser zur Warmwasserversorgung, wie Durchlauferhitzer weisen in der Regel eine Heizeinrichtung umfassend Heizwendel oder Heizstäbe auf, die elektrischen Strom in Wärmeenergie umwandeln und an das zu erhitzende Wasser abgeben. Insbesondere bei Durchlauferhitzern kann dabei eine hohe Leistung von häufig mehr als 15 kW [Kilowatt] umgesetzt werden. Zur Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Heizgerätes kommt hierzu eine Leistungselektronik zum Einsatz umfassend elektronische Bauteile, beispielweise Halbleiterbauelemente, wie TRIACs. Aufgrund der hohen umzusetzenden elektrischen Leistung können die elektronischen Bauteile sich im Betrieb stark erwärmen.
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Um eine Kühlung der elektronischen Bauteile zu gewährleisten, wird in der
DE 41 06 273 C1 vorgeschlagen die auf einer Platine angeordneten elektronischen Bauteile an einem Metallblock und mit diesem an einem wasserführenden Rohrstück wärmeleitend zu befestigen.
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Die
DE 102 09 905 A1 zeigt eine Lösung bei der TRIACs nicht auf einer Platine, sondern auf Verschlussstücken angeordnet werden, die mit dem zu erwärmenden Medium in Kontakt stehen.
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In der
DE 10 2011 0130972 A1 wird zur Verbesserung der Kühlung elektronischer Bauteile eines Heizgerätes gelehrt, einen Kühlkörper vorzusehen, der mit einem Wasserführungskörper und einem Halbleiterschalter als elektronischem Bauteil verbunden ist.
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Den genannten Lösungen ist gemeinsam ein hoher Aufwand für die Montage der elektronischen Bauteile zur Gewährleistung einer Kühlung. Zudem müssen teilweise aufwendig herzustellende Zusatzbauteile, wie Kühlkörper oder Metallblock eingesetzt werden. Nicht zuletzt müssen die elektronischen Bauteile aufwendig in einer Position zur Kühlung fixiert werden.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Heizgerät vorzuschlagen, das die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere soll eine sehr gute Kühlung elektronischer Bauteile des Heizgerätes gewährleistet sein.
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Zudem soll die Erfindung die Komplexität eines Heizgerätes zumindest nicht wesentlich erhöhen und Vorteile einer einfachen Montage ohne wesentliche zusätzliche Bauteile mit einer sehr guten Kühlleistung miteinander vereinen.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt ein elektrisches Heizgerät zur Erwärmung eines Medienstromes bei, aufweisend elektronische Bauteile zur Leistungssteuerung des Heizgerätes, wobei mindestens ein elektronisches Bauteil zweiseitig in wärmeleitendem Kontakt mit einem Leitungsbereich des Medienstromes ist.
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Bei dem Heizgerät handelt es sich beispielsweise um einen elektrischen Durchlauferhitzer, der dazu eingerichtet ist, einen Medienstrom (Wasserstrom) zu erwärmen. Hierzu kann das Heizgerät einen Heizblock mit widerstandsbasierten Heizelementen aufweisen, die in Kontakt mit dem Medienstrom gebracht, diesem Wärmeenergie zuführen.
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Das widerstandsbasierte Heizelement kann insbesondere ein Heizwendel oder ein Heizstab oder eine Vielzahl derselben sein, dazu eingerichtet elektrischen Strom in Wärmeenergie umzuwandeln und an den Medienstrom abzugeben. Das Heizelement kann in der Regel in direkten Kontakt mit dem zu erwärmenden Medienstrom gebracht werden, womit kurze Reaktionszeiten der Heizeinrichtung realisierbar sind. Hierfür sind aus dem Stand der Technik Heizdrähte bekannt.
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Das elektrische Heizgerät kann dazu eingerichtet sein, mit einer dreiphasigen Wechselstromquelle zur Energieversorgung verbunden zu werden. Die dreiphasige Wechselstromquelle kann beispielsweise ein dreiphasiger Anschluss eines Haushalts, häufig auch als Drehstromanschluss bezeichnet, sein.
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Zur Regelung oder Steuerung des Heizgerätes kann dieses elektronische Bauteile umfassen. Häufig kommen hierbei Halbleiterschalter, wie TRIACs zum Einsatz, die hohe Heizströme schalten können. TRIACs, auch als Zweirichtungs-Thyristortriode oder Symistor bezeichnet, sind Halbleiterbauelemente die in der Lage sind hohe Wechselströme zu schalten. Beim Betrieb der elektronischen Bauteile, insbesondere von Schaltern wie TRIACs oder anderen Halbleitern, kann beim Betrieb hohe Abwärme entstehen.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht in einem zweiseitigen, insbesondere gegenüberliegenden, wärmeleitenden Kontakt zu einem Leitungsbereich des Medienstromes, der zum einen eine deutliche, weil zweiseitige Wärmeableitung ermöglicht und zum anderen kann eine einfache und ausfallsichere Befestigung der elektronischen Bauteile an dem Leitungsbereich erreicht werden.
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Der Leitungsbereich kann dabei insbesondere Leitungsbereich in der Zuführung des zu erwärmenden Medienstromes sein. Der Medienstrom kann dabei eine Kaltwasserzuführung eines Gebäudes, oder auch eine Zuführung vorgewärmten Wassers, beispielsweise aus einer Solarthermie-Anlage oder Wärmepumpe, sein. Ein hier vorgeschlagenes Heizgerät ist aufgrund der erheblich verbesserten Kühlleistung sehr gut zum Betrieb mit vorgewärmtem Wasser geeignet.
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Gemäß einer Ausgestaltung können die elektronischen Bauteile auf einer Platine angeordnet und elektrisch verbunden sein. Ein vorgeschlagener zweiseitiger wärmeleitender Kontakt mit einem Leitungsbereich kann durch einen Kontakt beider Seiten der Platine (bestückt mit den elektronischen Bauteilen) erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann in einem Kontaktbereich zwischen den elektronischen Bauteilen oder der Platine und dem Leitungsbereich Wärmeleitpaste oder ein Wärmeleitpad angeordnet sein, um die Wärmeleitung zu verbessern.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das mindestens eine elektronische Bauteil und/oder die Platine durch eine Halteklammer fixiert sein. Die Halteklammer kann hierzu beispielsweise zumindest einen Teil des Leitungsbereiches zu umschließen und so die Position des elektronischen Bauteils in zweiseitigem Kontakt mit dem Leitungsbereich fixieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Leitungsbereich eine erste Kühlleitung und eine zweite Kühlleitung umfassen und das mindestens eine elektronische Bauteil zwischen der ersten Kühlleitung und der zweiten Kühlleitung angeordnet sein. Mit anderen Worten, kann der Leitungsbereich derart ausgestaltet sein, dass der Medienstrom auf eine erste und eine zweite Kühlleitung aufgeteilt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Kühlleitung und die zweite Kühlleitung jeweils eine ebene Kontaktfläche umfassen, die einander zugewandt und parallel ausgerichtet sind. In vorteilhafter Weise kann so ein schlitzförmiger Bereich zwischen erster und zweiter Kühlleitung in den das mindestens eine elektronische Bauteil und/oder die Platine eingebracht werden kann. Der Abstand der beiden Kontaktbereiche von erster und zweiter Kühlleitung (bzw. die Breite des Schlitzes) kann dabei vorteilhaft unwesentlich größer als die Dicke des Bauteils und/oder der Platine mit Bauteilen, gewählt werden, so dass ein beidseitiger wärmeleitender Kontakt gegeben ist. Hierzu kann der Abstand vorteilhaft so gewählt werden, dass eine geringe, die elektronischen Bauteile und die Platine nicht beschädigende Anpresskraft gegeben ist. Ein Fixieren kann vorteilhaft beispielsweise mittels einer vorgeschlagenen Haltklammer erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Kühlleitung und die zweite Kühlleitung eine weitestgehend halbkreisförmige, weitestgehend rechteeckige oder eine weitestgehend dreieckige (Querschnitts-)Form aufweisen. Die Formulierung „weitestgehend“ soll dabei insbesondere Abweichungen wie abgerundete Kanten einbeziehen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Kühlleitung und die zweite Kühlleitung als extrudiertes Profil hergestellt sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Leitungsbereich ein erstes Anschlussteil und ein zweites Anschlussteil umfassen, die dazu eingerichtet sein können, den Medienstrom auf die erste Kühlleitung und die zweite Kühlleitung aufzuteilen oder zusammenzuführen. Die Anschlussteile können zu einem mediendichten Anschluss an eine Leitung oder ein Bauteil, beispielsweise dem Heizblock, eingerichtet sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Anschlussteile als Kupferflansch ausgebildet sein, die mit erster und zweiter Kühlleitung beispielsweise durch eine Lötverbindung stoffschlüssig verbunden sein können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das erste oder zweite Anschlussteil einen Stauchbund umfassen. Ein Stauchbund ist fertigungstechnisch einfach herstellbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Stauchbund mit einem Heizblock des Heizgerätes zur Leitung des Medienstromes verbunden sein, wobei der Stauchbund von einem Gehäuse des Heizblockes umspritzt oder zwischen zwei Teilen des Gehäuses dichtend aufgenommen ist. Bei der dichtenden Aufnahme zwischen zwei Teilen (beispielsweise Halbschalen) des Gehäuses kann vorteilhaft eine Dichtung (O-Ring) eingebracht werden, wobei die beiden Teile kraftschlüssig (Schraubverbindung) oder stoffschlüssig (Kleben, Schweißen) verbunden werden können. Ein Umspritzen kann beispielsweise mittels Kunststoffspritzgießen erfolgen.
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Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“,...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.
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Hier wird somit ein elektrisches Heizgerät angegeben, das die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen kann. Insbesondere trägt das Heizgerät zumindest dazu bei, eine hervorragende Kühlung von elektronischen Bauteilen zu gewährleisten bei gleichzeitig gemindertem Montageaufwand für die Kühlung.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
- 1: ein hier vorgeschlagenes elektrisches Heizgerät,
- 2: einen Leitungsbereich,
- 3: verschiedene Querschnittsformen einer Kühlleitung,
- 4: eine Befestigung eines Anschlussteils mit einem Gehäuse eines Heizblockes,
- 5: eine alternative Befestigung eines Anschlussteils mit einem Gehäuse eines Heizblockes, und
- 6: einen Leitungsbereich mit Halteklammer.
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1 zeigt beispielhaft und schematisch ein elektrisches Heizgerät (1) zur Erwärmung eines Medienstromes, wie einem Wasserstrom, der durch einen Kaltwasserzulauf 8 dem Heizgerät 1 zugeführt und durch einen Warmwasserauslauf 9 entnommen werden kann, wobei der Medienstrom das Heizgerät 1 in einer Strömungsrichtung 24 durchströmt.
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Das Heizgerät 1 kann einen Heizblock 3 umfassen, aufweisend widerstandsbasierte Heizelemente die in direkten Kontakt mit dem Medienstrom gebracht sein können. Dem Heizblock 3 in Strömungsrichtung 24 vorgelagert kann ein Leitungsbereich 2 angeordnet sein, in dem mindestens ein elektronisches Bauteil 17 zweiseitig in wärmeleitenden Kontakt mit dem Leitungsbereich 2 des Medienstromes ist.
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Das Heizgerät 1 kann zudem ein Regel- und Steuergerät 6 aufweisen, das zur Regelung und Steuerung des Heizgerätes 1, insbesondere der Heizelemente, eingerichtet sein kann. Hierzu kann das Regel- und Steuergerät 6 mit einem Temperatursensor 7 im Kaltwasserzulauf, einem Durchflusssensor 5, einem Motorventil 4 und einem Temperatursensor 10 im Warmwasserauslauf 9 elektrisch verbunden sein.
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2 zeigt gleichfalls beispielhaft und schematisch einen Leitungsbereich 2, umfassend ein erstes Anschlussteil 11 mit einer Dichtung 13, ein zweites Anschlussteil 12 mit einer Dichtung 13, eine erste Kühlleitung 14 und eine zweite Kühlleitung 15. Über einen Einlass 21 im ersten Anschlussteil 11 kann die erste Kühlleitung 14 und über einen Einlass 22 im ersten Anschlussteil 11 kann die zweite Kühlleitung 15 vom Medienstrom durchströmt werden. Die erste und die zweite Kühlleitung 14, 15 können einen flachen Querschnitt aufweisen und jeweils eine Kontaktfläche 16 aufweisen, die einen Schlitz oder Hohlraum bilden, in dem mindestens ein elektronisches Bauteil 17, hier auf einer Platine angeordnet, eingeschoben sind. Der Abstand der beiden Kontaktflächen 16 kann dabei derart gewählt sein, dass ein leichter Druck auf die elektronischen Bauteile 17 und die Platine ausüben, wodurch eine gute Wärmeleitung gewährleistet ist, sowie ein Verrutschen der elektronischen Bauteile 17 verhindert werden kann.
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3 zeigt beispielhaft und schematisch verschiedene geeignete Querschnittsformen a), b) und c) der ersten und/oder zweiten Kühlleitung 14, 15 mit mindestens einer Kontaktfläche 16. Vorteilhaft können die erste und die zweite Kühlleitung 14, 15 in einem Extrusionsverfahren hergestellt sein.
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4 zeigt beispielhaft und schematisch eine Befestigung eines des ersten Anschlussteils 11 in einem Gehäuse 18 des Heizblockes 3. Das Anschlussteil 11 kann hierzu einen Stauchbund 25 aufweisen, der zwei radial auskragende Ringe aufweisen kann, die eine Fixierung ermöglichen. In einem Kunststoffspritzgussverfahren wurde das Gehäuse 18 (bzw. ein Teil davon) um den Stauchbund 25 des Anschlussteils 11 gespritzt und so form- und stoffschlüssig verbunden.
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5 zeigt gleichfalls beispielhaft und schematisch eine alternative Befestigung des Anschlussteils 11 mit Stauchbund 25 im Gehäuse 18 des Heizblockes 3. Das Gehäuse 18 kann durch ein erstes Gehäuseteil 19 und ein zweites Gehäuseteil 20 umfassen, wobei die Trennebene 26 zwischen denselben in einer Mittenebene des Anschlussteils 11 liegen kann. Im Stauchbund kann zwischen den beiden Ringen eine Dichtung 13 angeordnet sein und eine dichtende Befestigung des Stauchbundes 25 im Gehäuse 18 kann durch Zusammensetzten von ersten und zweiten Gehäuseteilen 19, 20 hergestellt werden.
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6 zeigt beispielhaft und schematisch den Leitungsbereich 2 mit einer Halteklammer 23, welche durch elastische Verformung erste und zweite Kühlleitung 14, 15 aufschiebbar sein und durch ein Umschließen derselben fixiert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizgerät
- 2
- Leitungsbereich
- 3
- Heizblock
- 4
- Motorventil
- 5
- Durchflusssensor
- 6
- Regel- und Steuergerät
- 7
- Temperatursensor
- 8
- Kaltwasserzulauf
- 9
- Warmwasserauslauf
- 10
- Temperatursensor
- 11
- erstes Anschlussteil
- 12
- zweites Anschlussteil
- 13
- Dichtung
- 14
- erste Kühlleitung
- 15
- zweite Kühlleitung
- 16
- Kontaktfläche
- 17
- elektronisches Bauteil
- 18
- Gehäuse
- 19
- erstes Gehäuseteil
- 20
- zweites Gehäuseteil
- 21
- Einlass erste Kühlleitung
- 22
- Einlass zweite Kühlleitung
- 23
- Halteklammer
- 24
- Strömungsrichtung
- 25
- Stauchbund
- 26
- Trennebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4106273 C1 [0003]
- DE 10209905 A1 [0004]
- DE 1020110130972 A1 [0005]