[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme und insbesondere
eine elektrische Heizvorrichtung. Derartige Vorrichtungen zum Austausch von Wärme
werden beispielsweise zum Beheizen von Luft in Kraftfahrzeugen verwendet.
[0002] Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer elektrischen Heizvorrichtung
zum Beheizen des Innenraums eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Es sei jedoch darauf
hingewiesen, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung auch für andere Anwendungszwecke
geeignet ist.
[0003] Eine solche elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen der in den Innenraum eines Kraftfahrzeuges
geleiteten Luft weist elektrische Heizelemente und Wärmeleiter auf, an weichen die
zu erwärmende Luft vorbeiströmt. Als elektrische Heizelemente werden vorzugsweise,
aber nicht ausschliesslich, keramische Heizelemente mit positiven Temperaturkoeffizienten
(PTC-Heizelemente) verwendet.
[0004] Unter dem Begriff "Heizelement" im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Element
oder eine Gruppe von Elementen verstanden, durch welche elektrische Energie in Wärmeenergie
umgewandelt wird. Derartige Heizelemente können vorzugsweise keramische Heizelemente
mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Heizelemente) sein. Es können jedoch auch
andere Heizelemente, wie z. B. Widerstandsheizelemente, Plasmaheizelemente und/oder
dergleichen Anwendung finden.
[0005] Die von den Heizelementen abgegebene Wärme wird mittels Wärmeleitern, welche beispielsweise
in Form von Wellrippen oder Lamellen ausgeführt sind, an die zu erwärmende Luft abgeführt.
[0006] Ferner ist es bekannt, die elektrische Verbindung der PTC-Elemente mit der jeweiligen
Stromquelle durch Verwendung von Kontaktblechen zu erreichen. Die Heizelemente werden
vorzugsweise in einer Aufnahmeeinrichtung gehalten, an welcher auch Steuereinrichtungen,
beispielsweise Leistungstransistoren oder ähnliche elektrische Schalt- bzw. Steuerelementen,
angebracht sein können.
[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Austauschen
von Wärme, die so gestaltet ist, dass sowohl die Verbindung der elektrischen Heizelemente
mit der Spannungsquelle als auch die Wärmeleitung zwischen dem PTC-Element und der
Luft in einfacher Weise bereitgestellt werden kann.
[0008] Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäss Anspruch 1 gelöst.
[0009] Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere für ein
Kraftfahrzeug, weist wenigstens eine Wärmetauscherbaugruppe auf. Die Wärmetauscherbaugruppe
weist wenigstens eine erste Komponente auf, welche von einem elektrischen Strom durchflossen
wird und deren Temperatur sich in Abhängigkeit eines durch die Komponente fliessenden
Stromes ändert, sowie wenigstens eine zweite Komponente, welche aus zwei Teileinheiten
besteht, die mit den entgegengesetzten Polen einer Stromquelle verbunden sind, um
einen Stromfluss durch die erste Komponente zu erzeugen.
[0010] Dabei ist wenigstens eine der zwei Teileinheiten der zweiten Komponente von der ersten
Komponente beabstandet, wobei zwischen dieser Teileinheit und der ersten Komponente
Einrichtungen vorgesehen sind, welche einen Austausch von elektrischer und thermischer
Energie begünstigen. Die erste Komponente weist an wenigstens einer Oberfläche eine
Einrichtung auf, die den Austausch von elektrischer und thermischer Energie fördert.
[0011] Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Austausch von
Wärme sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0012] In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Komponente wenigstens teilweise
aus einem Material aus einer Gruppe von Materialien, insbesondere Kunststoffen hergestellt,
welche insbesondere PP (Polypropylen) mit Ruß, EVA (Ethyl Vinyl Acetat) mit Ruß, PE
(Polyethylen), insbesondre HDPE (High Density Polyethylen) oder LDPE (Low Density
Polyethylen) oder dergleichen enthält. In einer bevorzugten Ausführunsform können
auch Mischungen aus verschiedenen Polyolefinen verwendet werden.
[0013] In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Oberfläche auf der ersten
Komponente um eine Schicht. Besonders bevorzugt ist das Material dieser Schicht aus
einer Gruppe von Materialien ausgewählt, welche Silber, Aluminium, Kupfer oder dergleichen
enthält. Bevorzugt bedeckt die Schicht im wesentlichen die Gesamtfläche einer Seitenfläche
der ersten Komponente. Als Seitenfläche der ersten Komponente wird dabei eine Fläche
verstanden, deren Flächennormale im wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung
des umströmenden Mediums steht.
[0014] Unter der Hauptströmungsrichtung des Mediums wird dabei die Strömungsrichtung verstanden,
die das Medium im unmittelbaren Bereich vor und nach der Vorrichtung zum Austausch
von Wärme einnimmt.
[0015] Bevorzugt handelt es sich bei den Einrichtungen zwischen der ersten Komponente und
der Teileinheit der zweiten Komponente um Lamellen bzw. Wellrippen, die den Wärmeaustausch
mit der umgebenden Luft fördern. Diese Lamellen sind bevorzugt aus einem elektrisch
und/oder thermisch leitenden Material, wie z. B. Aluminium, Aluminiumlegierungen oder
einem ähnlichen Material, hergestellt.
[0016] Bevorzugt sind die Lamellen oder Lamellrippen mit einem Verbindungselement wenigstens
mit der ersten Komponente oder der Schicht verbunden. Bei diesem Verbindungselement
kann es sich beispielsweise um Klebstoff wie Silicon oder Epoxydklebstoffe oder ähnliche
Materialien handeln.
[0017] Bevorzugt weist die erste Komponente ein Heizelement mit positivem Temperaturkoeffizienten
(PTC-Element) auf. Besonders bevorzugt, aber nicht ausschliesslich ist dabei ein Pulver
mit definiertem elektrischen Widerstand, z. B. Bariumtitanat vorgesehen.
[0018] Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Aufnahmeeinrichtung auf, wobei besonders
bevorzugt die Aufnahmeeinrichtung aus einem nicht stromleitenden Material, insbesondere
aus einem nicht stromleitenden Kunststoff, besteht. Besonders bevorzugt ist dieser
Kunststoff aus einer Gruppe ausgewählt, weiche PVC (Polyvinylchlorid), PE (Polyethylen),
PP (Polypropylen), Silikon- und Silikonderivate, TPE (thermoplastische Elastomere),
Epoxydharze, Duroplaste, Teflon oder dergleichen enthält.
[0019] In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die erste Komponente aus mehreren Bestandteilen.
Unter Bestandteil ist hier bevorzugt, aber nicht ausschliesslich, eine Schicht zu
verstehen. Dabei kann eines dieser Bestandteile bzw. eine dieser Schichten ein Substrat
sein, auf welchem eine oder mehrere Schichtungen angeordnet sind. Eine dieser Schichtungen
kann dabei eine PTC-Schichtung sein; eine weitere Schichtung kann eine Schicht aus
elektrisch leitfähigem Werkstoff sein. Besonders bevorzugt liegt die Dicke der PTC-Schichtung
im Bereich von 1 µm bis 10 mm, zwischen 5 µm und 5 mm und besonders bevorzugt zwischen
10 µm und 2 mm. Die Curie-Temperatur der PTC-Schicht liegt bevorzugt zwischen 60 °C
und 250 °C, besonders bevorzugt zwischen 90 °C und 190 °C und besonders bevorzugt
zwischen 120 °C und 160 °C. Unter Curie-Temperatur wird die Temperatur verstanden,
oberhalb welcher ferromagnetische Stoffe paramagnetisiert werden.
[0020] In einer bevorzugten Ausführungsform sind Einrichtungen vorgesehen, welche die erste
Komponente und die zwischen einer Teileinheit der zweiten Komponente und der ersten
Komponente liegenden Einrichtungen befestigen. Unter einer Befestigung im Sinne dieser
Erfindung wird dabei insbesondere eine Verspannung der unterschiedlichen Komponenten
miteinander verstanden. Es kommen jedoch auch andere Arten mechanischer Befestigung
wie z.B. Verschraubungen oder Vernietungen oder sonstige kraft, form-/oder stoffschlüssige
Verbindungen in Betracht.
[0021] Bevorzugt erfolgen im wesentlichen kraftschlüssige Verbindungen zwischen den einzelnen
Komponenten mittels mechanischer Verspannung.
[0022] Die Erfindung ist weiterhin auf eine Einrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere
eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, gerichtet, welche in wenigstens einem Strömungskanal
der Klimaanlage wenigstens eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme der oben beschriebenen
Art aufweist.
[0023] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können neben einem einflutigen Strömungskanal
insbesondere auch mehrflutige Strömungskanäle verwendet werden können. Hierbei können
in einer Weiterbildung der erfindungsgemässen Vorrichtung die unterschiedlichen Luftströme
des mehrflutigen Strömungskanals auf unterschiedliche und unabhängige Art und Weise
beheizt werden.
[0024] Besonders bevorzugt sind für wenigstens zwei Komponenten Verbindungen vorgesehen,
welche aus einer Gruppe von Materialien bestehen, welche insbesondere Klebstoff, Lot
und dergleichen enthält.
[0025] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die elektrische Verbindung zwischen
wenigstens einer der Teileinheiten der zweiten Komponenten und der Stromquelle unabhängig
von der Verbindung zwischen den übrigen Teileinheiten und der Stromquelle unterbrochen
und wiederhergestellt werden. Auf diese Weise kann der Stromfluss durch einzelne erste
Komponenten separat zu- bzw. abgeschaltet werden, wodurch eine Steuerung der Heizleistung
der Vorrichtung zum Austausch von Wärme gesteuert, insbesondere die Heizleistung reguliert
werden kann.
[0026] Bevorzugt erfolgt die Unterbrechung und/oder die Wiederherstellung der elektrischen
Verbindung zwischen wenigstens einer der Teileinheiten und der Stromquelle durch mechanische
Schalteinrichtungen, insbesondere Schalter oder Relais.
[0027] In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform können die einzelne Komponenten
strukturiert sein, wobei z. B. eine Strukturierung durch Ätzen, Prägen, Sandbestrahlung
oder Erosion in Betracht kommt. Auf diese Weise kann die Kontaktfläche erhöht werden.
Dabei wird unter Strukturierung verstanden, dass die Oberflächen der betreffenden
Komponenten nicht glatt sind, sondern Rillen, Einsenkungen, Muster oder dergleichen
aufweisen.
[0028] Die Heizelemente sind bevorzugt nicht senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der Luft
angeordnet, sondern in einem vorgegebenen Winkel bezüglich derselben.
[0029] Definitionsgemäss liegt ein Winkel von 0° vor, wenn die Breitseite der Heizelemente
parallel zur Strömungsrichtung des um- und/oder durchströmenden Mediums steht. Der
vorgegebene Winkel liegt seinem Betrag nach zwischen 0° und 90°, bevorzugt zwischen
0° und 45° und besonders bevorzugt zwischen 0° und 30°.
[0030] Gemäss einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Heizelement einen bevorzugten
Kunststoff auf, dessen spezifischer Widerstand zwischen 1 und 300 Ohm*cm, bevorzugt
zwischen 100 bis 200 Ohm*cm und besonders bevorzugt zwischen 150 und 170 Ohm*cm liegt.
[0031] Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit den Figuren und den Ansprüchen.
[0032] Dabei zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Ansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung zum Austausch von Wärme
- Fig. 2
- eine schematische Ansicht mehrerer erfindungsgemässer Wärmetauscherbaugruppen;
- Fig. 3
- eine Detailansicht einer Wärmetauscherbaugruppe aus Fig. 2.
[0033] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Austausch vor Wärme
gemäss der vorliegenden Erfindung. Das Bezugszeichen 1 bezieht sich auf einen im wesentlichen
rechteckförmigen Heizblock, welcher einen rechteckigen Rahmen mit vier Rahmenschenkeln
6a, 6b, 6c und 6d aufweist.
[0034] Die Länge I der Wärmetauscherbaugruppe liegt zwischen 100 mm und 300 mm, bevorzugt
zwischen 150 mm und 250 mm und besonders bevorzugt zwischen 190 mm und 220 mm.
[0035] Die Breite b der Wärmetauscherbaugruppe beträgt zwischen 30 und 170 mm, bevorzugt
zwischen 70 und 130 mm und besonders bevorzugt zwischen 90 und 110 mm.
[0036] Die Tiefe des Rahmens 2 liegt zwischen 10 mm und 30 mm, bevorzugt zwischen 15 und
25 mm und besonders bevorzugt zwischen 18 und 22 mm.
[0037] Die Höhe der Aufnahmeeinrichtung liegt zwischen 10 mm und 40 mm, bevorzugt zwischen
15 mm und 35 mm und besonders bevorzugt zwischen 20 und 30 mm.
[0038] In diesem Heizblock 1 sind mehrere Wärmetauscherbaugruppen angeordnet. Diese Wärmetauscherbaugruppen
weisen als erste Komponente elektrische Heizelemente, vorzugsweise streifenförmige
PTC-Heizelemente 3 auf. Unter streifenförmig wird dabei verstanden, dass sich diese
Elemente im wesentlichen in einer Längsrichtung und einer zu dieser senkrechten Querrichtung
erstrecken, wobei die Ausdehnung in Längsrichtung grösser ist als die Ausdehnung in
Querrichtung. Die Ausdehnung in einer dritten Richtung, welche senkrecht zu den ersten
beiden Richtungen steht, ist wesentlich geringer als die Ausdehnung in den ersten
beiden Ausrichtungen. Die Querrichtung wird auch als die Breitseite des Elements bezeichnet.
Das Bezugszeichen 8 kennzeichnet eine innerhalb der Wärmetauscherbaugruppe angeordnete
Wellrippe. Ferner sind Kontaktbleche 5 vorgesehen. Diese Kontakte sind mit unterschiedlichen
Polen einer Spannungsquelle verbunden, was durch die Plus-/Minuszeichen angedeutet
ist. Es ist zu beachten, dass an jedem Heizelement jeweils nur ein Kontaktblech unmittelbar
benachbart angeordnet ist. Unter unmittelbar benachbart wird dabei verstanden, dass
der räumliche Abstand zwischen dem Heizelement und dem Kontaktblech wesentlich geringer
ist, als die Dicke des Heizelementes.
[0039] In Fig. 2 ist eine Detailansicht der Wärmetauscherbaugruppen dargestellt. Dabei bezieht
sich das Bezugszeichen 5 wieder auf ein Kontaktblech, wobei mehrere dieser Kontaktbleche
5 vorhanden sind, welche alternierend mit den unterschiedlichen Polen einer Spannungsquelle
verbunden sind. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet zwischen den Wärmetauscherbaugruppen
angeordnete Wellrippen. Das Bezugszeichen 3 kennzeichnet ein Heizelement, welches
bevorzugt als PTC-Element ausgeführt ist. Wie sich aus der Zeichnung ergibt, sind
neben den hier dargestellten Kontaktblechen keine weiteren Kontaktblech vonnöten.
Der Stromfluss tritt daher zwischen einem mit Minus und einem mit Plus bezeichneten
Kontaktblech auf.
[0040] In Fig. 3 ist eine Detailansicht der Baugruppe aus Fig. 2 gezeigt. Das Bezugszeichen
8 bezieht sich auf innerhalb der Baugruppe angeordnete Wellrippen. Das Bezugszeichen
14 bezieht sich auf ein Verbindungselement, um die Wellrippen 8 mit dem Heizelement
3 zu verbinden. Dieses Verbindungselement kann beispielsweise ein Klebstoff sein.
Als Klebstoffe können beispielsweise isolierende oder auch leitende Klebstoffe, z.
B. Silikon oder Epoxydharze, verwenden werden. Es kommen jedoch auch Lote als Verbindungselement
in Betracht.
[0041] In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Heizelement eine Substratlamelle 13
auf, auf welcher mindestens zwei Schichtungen 15 und 16 vorgesehen sind. Das Bezugszeichen
16 kennzeichnet eine PTC-Schichtung, wie sie beispielsweise in PCT-Anmeldung WO018926
offenbart ist. Die Dichte dieser Schichtung liegt zwischen 1 µm und 10 mm, bevorzugt
zwischen
5 µm und 5 mm und besonders bevorzugt zwischen 10 µm und 2 mm.
[0042] Die Schichtung kann beispielsweise aus einem Pulver mit definiertem elektrischem
Widerstand bestehen, vorzugsweise, aber nicht ausschliesslich Bariumtitanat. Das Bezugszeichen
15 kennzeichnet eine weitere Schichtung. Bei dieser weiteren Schichtung kann es sich,
vorzugsweise, aber nicht ausschliesslich, um eine Silber- oder Kupferschicht handeln,
welche dazu dient, einen im wesentlichen konstanten Widerstand im Bereich der Schicht
16 zu gewährleisten. Das Substrat 13 ist vorzugsweise elektrisch und/oder thermisch
leitend und weist vorzugsweise Kupfer oder Aluminium auf. Die Oberfläche des Substrates
oder einer der anderen Schichten kann strukturiert sein, um einen besseren Kontakt
bzw. eine bessere Verbindung mit den anderen Schichten zu gewährleisten. Das Verbindungselement
14 ist vorzugsweise temperaturbeständig in einem Bereich von - 40 bis + 180 Grad Celsius.
Anstelle eines Klebstoffes können jedoch auch andere Verbindungselemente vorgesehen
sein, beispielsweise Rahmen und Federn, welche die einzelnen Elemente der Wärmetauscherbaugruppe
aneinanderdrücken. Weiterhin ist es auch möglich, die PTC-Schichtung 16 aus mehreren
unterschiedlichen Schichtungen aufzubauen.
1. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere für ein Kraftfahzeug mit
mit wenigstens einer Wärmetauscherbaugruppe, wobei diese Wärmetauscherbaugruppe
wenigstens eine erste Komponente aufweist, welche von einem elektrischen Strom durchflossen
wird, und deren Temperatur sich in Abhängigkeit des durch die Komponente fließenden
Stromes ändert, und
wenigstens eine zweite Komponente aufweist, welche aus zwei Teileinheiten besteht,
die mit den entgegengesetzten Polen einer Stromquelle verbunden sind, um einen Stromfluß
durch die erste Komponente zu erzeugen.
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine der zwei Teileinheiten der zweiten Komponente von der ersten Komponente
beabstandet ist und zwischen dieser Teileinheit und der ersten Komponente Einrichtungen
vorgesehen sind, welche einen Austausch von elektrischer und thermischer Energie fördern
und
die erste Komponente an wenigstens einer Oberfläche eine Einrichtung aufweist, die
den Austausch elektrischer und/oder thermischer Energie fördert.
2. Vorrichtung zum Austausch von Wärme nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtung auf der Oberfläche der ersten Komponente eine Schicht ist.
3. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Material der Schicht aus einer Gruppe von Materialien ausgewählt ist, welche Silber,
Aluminium, Kupfer, Legierungen hieraus, Mehrkomponentenwerkstoffe oder dergleichen
enthält.
4. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schicht wenigstens zwei Teilschichten unterschiedlichen Materials aufweist.
5. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schicht im wesentlichen die Gesamtfläche der Seitenfläche der ersten Komponente
bedeckt.
6. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Einrichtungen zwischen der ersten Komponente und der Teileinheit der zweiten Komponenten
Wellrippen sind, die den Wärmeaustausch mit einem umströmenden Medium, bevorzugt Luft
fördern.
7. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die den Austausch von elektrischer und thermischer Energie fördernde Einrichtung zwischen
einer Teileinheit der zweiten Komponente und der ersten Komponente insbesondere mittels
eines Klebstoffes mit der ersten Komponente verbunden ist.
8. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Komponente wenigstens ein Heizelement mit positiven Temperaturkoeffizienten
(PTC-Element) aufweist.
9. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Komponente aus mehreren Bestandteilen insbesondere Schichten besteht.
10. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Komponente ein Substrat aufweist, auf dem mindestens zwei Schichtungen angeordnet
sind.
11. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens eine Komponente an wenigstens einer Oberfläche strukturiert ist.
12. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens
einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorrichtung in einer Aufnahmeeinrichtung angeordnet ist.
13. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
die Aufnahmeeinrichtung wenigstens aus einem nichtstromleitenden Material, insbesondere
aus einem nichtstromleitenden Kunststoff oder Kompositkunststoff besteht.
14. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens
einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
Einrichtungen vorgesehen sind, welche die erste Komponente und die zwischen einer
Teileinheit der zweiten Komponente und der ersten Komponente liegenden Einrichtungen
miteinander verspannen.
15. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere nach wenigstens
einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
im wesentlichen kraftschlüssige Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten mittels
mechanischer Verspanung erfolgen.
16. Einrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug,
dadurch gekennzeichnet, daß
in wenigstens einem Strömungskanal der Klimaanlage wenigstens eine Vorrichtung zum
Austausch von Wärme nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet
ist.