-
Die Erfindung betrifft ein Heizgerät für eine Fahrzeug-Klimaanlage mit mindestens
einem Wärmerohr, welches zwischen einer wärmeerzeugenden Einrichtung und
mindestens einer wärmeabgebenden Einrichtung über ein im Wärmerohr
verdampfendes und kondensierendes Medium eine wärmeleitende Verbindung
herstellt. Ferner betrifft die Erfindung eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem
derartigen Heizgerät sowie ein Fahrzeug mit einer entsprechenden Klimaanlage.
-
Heizgeräte der eingangs genannten Art werden bei Fahrzeug-Klimaanlagen z. B.
als elektrische Zuheizer eingesetzt, um einen flüssigen oder gasförmigen
Wärmeträger unabhängig von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs aufheizen
zu können. Mit dem aufgeheizten Wärmeträger, beispielsweise Umgebungsluft,
kann nachfolgend ein Fahrgastraum des Fahrzeugs verhältnismäßig schnell
aufgeheizt und es können insbesondere Scheiben des Fahrzeugs enteist werden.
Man spricht vom sogenannten Defrosten.
-
Bei einem elektrischen Zuheizer, wie er beispielsweise aus der EP 0 243 077 A2
bekannt ist, sind in dessen Wärmeübertrager PTC-Heizelemente und
Radiatorelemente mit Rippen geschichtet angeordnet. Die PTC-Heizelemente erwärmen
die Radiatorelemente in ihrer unmittelbaren Nähe, die von Umgebungsluft
durchströmt werden. An einem Rand des Heizgeräts ist eine elektrische Kontaktierung
für die PTC-Heizelemente ausgebildet.
-
Derartige Zuheizer regeln bei Erreichen einer bestimmten Grenztemperatur durch
Ansteigen des Widerstandes der PTC-Heizelemente ihre Leistung selbsttätig ab.
Wird an einer PTC-Keramik eine ausreichend hohe Spannung angelegt, so dass
sich die Keramik durch den Stromfluss aufheizt, so tritt ein Gleichgewichtszustand
zwischen zugeführter elektrischer Leistung und abgegebener thermischer
Leistung ein. Die Keramik kann nicht beliebig hohe Temperaturen annehmen. Durch
die spezielle Widerstands-Temperaturcharakteristik steigt der Widerstand
überproportional an und der elektrische Strom sowie die Leistung werden begrenzt.
-
Die beschriebene Eigenschaft der PTC-Keramik kann ideal für Heizanwendungen
genutzt werden. PTC-Heizelemente können als selbstregelnde dynamische
Heizelemente verwendet werden. Daher kann mit PTC-Heizelementen die Forderung
von Fahrzeug-Herstellern, dass der elektrische Zuheizer bei geschlossenen
Auslassklappen und voller Heizleistung wegen Schmelz- und Brandgefahr eine
Grenztemperatur von ca. 150°C bis 165°C nicht überschreiten darf, eingehalten
werden.
-
Bekannte Wärmeübertrager von elektrischen Zuheizern weisen aber Nachteile
hinsichtlich ihrer konstruktiven Gestaltung auf. So sind für die im
Wärmeübertrager verteilten PTC-Heizelemente lange elektrische Zuleitungen für hohe Ströme
erforderlich. Durch die Aufteilung der Heizleistung in Form von PTC-
Heizelementen entsteht ferner das Problem, dass die Heizleistung nicht beliebig
gleichmäßig über den Wärmeübertrager verteilt werden kann. Vielmehr führen
nicht besetzte PTC-Plätze, wie sie zwangsläufig durch die hohe
Widerstandstoleranz von +/-35% der PTC-Heizelemente entstehen, zu Kaltstellen in der
Oberfläche des Heizgeräts. Diese Kaltstellen können sich als Kaltluftfahnen durch die
Luftkanäle der Klimaanlage ziehen.
-
Die Integration der PTC-Heizelemente in den Wärmeübertrager führt auch dazu,
dass der Wärmeübertrager nicht sortenrein ist, sondern aus mehreren
Werkstoffen aufgebaut ist. Diese Werkstoffe, z. B. Aluminium, Kunststoff und Keramik, sind
nach der Lebensdauer des Zuheizers nur schwer zu trennen und zu recyceln.
-
Ferner muss beim Verwenden von PTC-Heizelementen deren Grenztemperatur
bzw. Heizleitung auf die wärmeabgebenden Einrichtungen bzw. Rippen des
Heizgeräts abgestimmt werden. Daher können nur bestimmte PTC-Heizelemente
für die jeweiligen Wärmeübertrager zur Anwendung kommen.
-
Es sind auch elektrische Zuheizer bekannt, bei denen Heizelemente elektronisch
geregelt werden. Zum Regeln werden Regeltransistoren mit einer Stromstärke
der Regelströme von ca. 70 bis 140 Ampere verwendet. Solche Regeltransistoren
erzeugen Abwärme in der Größenordnung von etwa 70 Watt, die vorteilhaft auch
in den Wärmeübertrager des Zuheizers eingeleitet wird. Das Einleiten der Wärme
erfordert aber einen hohen konstruktiven Aufwand. Daher werden im allgemeinen
Regeltransistoren verwendet, die eine möglichst geringe Verlustleistung
aufweisen. Die Regelströme mit hoher Stromstärke müssen mit Wiederholraten von
beispielsweise 30 Hz und 100 Hz geschaltet werden. Dies führt zu erheblichen
Problemen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit des Zuheizers
innerhalb des Fahrzeugs.
-
Ein die Gattung bildendes Heizgerät ist aus Patent Abstracts of Japan 63265752 A
bekannt. Dort ist ein Fluidheizgerät beschrieben, bei dem mit einem Wärmerohr
(einer sogenannten Heat-Pipe) von einem PTC-Heizer Wärme zu Rippen in
einem Wärmespeicher und zu Rippen in einem Durchfluss-Heizgerät transportiert
werden kann. Der PTC-Heizer dient als wärmeerzeugende Einrichtung, von der
die Wärme über das Wärmerohr zu den Rippen als wärmeabgebende
Einrichtungen transportiert wird. Ziel ist es durch besondere Techniken im Wärmespeicher
Wärme über einen langen Zeitraum zu speichern. Bei dem Heizgerät besteht
jedoch das Problem, dass dieser verhältnismäßig teuer in der Herstellung ist.
Insbesondere die Gestaltung der wärmeerzeugenden Einrichtung ist aufwendig.
-
Aus Patent Abstracts of Japan 11222025 A ist ein Heizgerät für ein Fahrzeug
bekannt, bei dem ein Wärmeübertrager über ein Wärmerohr Wärmeenergie an einer
Abgasanlage abgreift. Wenn die Abgastemperatur ansteigt, soll die übertragene
Wärmeenergiemenge begrenzt werden. Dazu ist am Heizgerät eine
Steuereinrichtung für die Luftzirkulation vorgesehen, mit der erwärmte, überschüssige Luft
an die Umgebung abgeführt wird. Eine solche Steuereinrichtung mag für eine
Abgasanlage geeignet sein, wo überschüssige Wärmeenergie bereitsteht. Für ein
elektrisches Heizgerät ist die Steuereinrichtung hingegen ungeeignet. Dort kann
es nicht das Ziel sein, überschüssige Wärmeenergie elektrisch zu erzeugen und
diese dann an die Umgebung abzuführen. Vielmehr darf überschüssige
Wärmeenergie von vornherein nicht erzeugt werden, damit das elektrische Heizgerät mit
hohem Wirkungsgrad arbeitet.
-
Im Bereich der Halbleitertechnik ist es beispielsweise aus Patent Abstracts of
Japan 04256397 A bekannt, dass Wärmerohre zum Abführen von Wärme an einem
Halbleiter-Leistungsbauteil verwendet werden. Dort kann das Problem auftreten,
dass die Wärmerohre aufgrund einer besonders hohen Temperatur am Halbleiter-
Leistungsbauteil austrocknen. Dies bedeutet, dass die gesamte im Wärmerohr
vorhandene wärmeleitende Flüssigkeit verdampft und kein weiterer
Phasenübergang zwischen flüssiger und gasförmiger Phase stattfindet. Die verdampfte
Flüssigkeit bleibt insgesamt im gasförmigen Zustand. Die Wärmeleitfähigkeit der
Wärmerohre geht in diesem Fall stark zurück, was zu einer Überhitzung und
damit einer Schädigung der Halbleiter-Leistungsbauteile führen kann. Dieses
sogenannte Phänomen des "Austrocknens" oder "Trockenkochens" eines
Wärmerohres (phenomenon of dryout), das beispielsweise in der US 5 331 510 A
beschrieben ist, ist im Bereich der Halbleitertechnik unter allen Umständen zu vermeiden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Heizgerät derart
zu gestaltet, dass es kostengünstiger herstellbar ist und zugleich einen
vergleichsweise hohen Wirkungsgrad aufweist. Damit sollen die
Gesamtherstellungs- und Betriebskosten der zugehörigen Klimaanlage eines Fahrzeugs
gesenkt werden.
-
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem eingangs genannten Heizgerät für
eine Fahrzeug-Klimaanlage gelöst, bei dem die Menge des Mediums im
Wärmerohr derart gering bemessen ist, dass bei einer vorbestimmten
Grenztemperatur der mindestens einen wärmeabgebenden Einrichtung das gesamte Medium
verdampft und dadurch die wärmeleitende Verbindung nahezu unterbrochen ist.
Ferner ist die Aufgabe mit einer Klimaanlage für ein Fahrzeug gelöst, die mit
einem derartigen erfindungsgemäßen Heizgerät versehen ist, sowie mit einem
Fahrzeug mit einer derartigen Klimaanlage.
-
Die Erfindung nutzt das Phänomen des Austrocknens eines Wärmerohres, das in
der Halbleitertechnik stets vermieden wird, um bei einer Grenztemperatur an den
wärmeabgebenden Einrichtungen eines Heizgeräts einer Fahrzeug-Klimaanlage
die Wärmeleitkapazität der wärmeleitenden Verbindung stark zu verringern. Bei
einer Erhöhung der Temperatur des Mediums im Wärmerohr verdampft dieses
solange, wie es der entstehende Dampfdruck erlaubt. Ist derart wenig Medium im
Wärmerohr, dass dieses insgesamt verdampfen kann, so endet der Zyklus von
Verdampfen und Kondensieren. Das gesamte Medium bleibt im verdampften
Zustand und die wärmeleitende Verbindung ist nahezu unterbrochen.
-
Erfindungsgemäß wird so verhindert, dass über die wärmeleitende Verbindung
des Wärmerohres von der wärmeerzeugenden Einrichtung weiter Wärmeenergie
zu den wärmeabgebenden Einrichtungen gefördert wird. Die Temperatur an den
wärmeabgebenden Einrichtungen bleibt also auf die Grenztemperatur
beschränkt.
-
Zugleich führt die nahezu unterbrochene wärmleitende Verbindung dazu, dass
die wärmeerzeugende Einrichtung wärmetechnisch isoliert ist. Wird an der
wärmeerzeugenden Einrichtung weiter Wärmeenergie erzeugt, so steigt die
Temperatur an diesem Gerät verhältnismäßig rasch an. Dieser Temperaturanstieg kann
zum schnellen Abschalten der wärmeerzeugenden Einrichtung genutzt werden.
Die wärmeerzeugende Einrichtung kann also besonders gut kurzfristig abgeregelt
werden.
-
Darüber hinaus entkoppelt die Unterbrechung der wärmeleitenden Verbindung
auch die wärmeabgebenden Einrichtungen hinsichtlich der Grenztemperatur der
wärmeerzeugenden Einrichtung. Erfindungsgemäß kann die Grenztemperatur der
wärmeabgebenden Einrichtungen mit Hilfe der Menge des Mediums im
Wärmerohr eingestellt werden. Die Grenztemperatur der wärmeerzeugenden
Einrichtung kann hingegen eine andere Grenztemperatur sein, die höher als die
Grenztemperatur der wärmeabgebenden Einrichtungen ist. Zwischen der
wärmeerzeugenden und der wärmeabgebenden Einrichtung besteht grundsätzlich stets
ein Temperaturgefälle, so dass die wärmeerzeugende Einrichtung die höhere
Temperatur aufweist. Diese Temperatur darf insbesondere bei einem
Verdämmen der wärmeabgebenden Einrichtung nicht unbegrenzt ansteigen, so dass die
erfindungsgemäße Lösung besonders für diesen Fall als Überhitzungsschutz der
wärmeerzeugenden Einrichtung verwendet werden kann.
-
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die Temperatur der wärmeabgebenden
Einrichtungen und damit die Temperatur der durch den Wärmeübertrager des
Heizgeräts geförderten Heizluft sicher begrenzt. Eine Überhitzung von Bauteilen
der Klimaanlage, insbesondere in der Nähe des Heizgeräts, wird vermieden.
-
Die erfindungsgemäße Temperaturbegrenzung kann als redundantes
Sicherungssystem auch neben anderen Regeleinrichtungen zum Begrenzen von
Grenz- bzw. Maximaltemperaturen in einer Klimaanlage verwendet werden.
-
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die wärmeerzeugende
Einrichtung mindestens ein Heizelement auf. Die erfindungsgemäße Lösung ist
aber auch besonders vorteilhaft in Kombination mit Heizelementen einsetzbar, die
nicht selbsttätig ihre Grenztemperatur regeln. Solche Heizelemente sind
insbesondere Widerstandsdrähte, Heizkeramik oder Widerstandsfolien. Ein PTC-
Heizelement kann aus einem weitaus größeren Sortiment ausgewählt werden als
bei bisherigen Heizgeräten, denn die Grenztemperatur des PTC-Heizelementes
ist nahezu unabhängig von der Grenztemperatur der wärmeabgebenden
Einrichtungen. Somit kann ein PTC-Heizelement verwendet werden, dessen
Grenztemperatur erheblich höher als die Grenztemperatur der wärmeleitenden
Einrichtungen ist.
-
Bei einer konstruktiv besonders kostengünstig zu gestaltenden Variante der
Erfindung ist das Heizelement in einem Längsschlitz eines Strangpressprofils
eingebettet. Das Heizelement kann ferner in einer vollständig vom Material des
Strangpressprofils umgebenen Öffnung angeordnet sein. Bei diesen
Anordnungen kann das Heizelement durch Verpressen des Materials des
Strangpressprofils mechanisch festgelegt, wärmetechnisch angebunden und elektrisch
kontaktiert werden. Ferner kann das Heizelement mit Hilfe eines Federelementes
angeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich zu einem Strangpressprofil kann als
Grundkörper für die wärmeerzeugende Einrichtung ein Druckgussteil verwendet
werden. Die Form eines Druckgussteils kann besonders flexibel gestaltet werden.
-
Als Heizelemente kann die wärmeerzeugende Einrichtung insbesondere mit
einem Heizleiter versehen sein. In Kombination mit einem Heizleiter ergeben sich
hinsichtlich der Regelung der wärmeerzeugenden Einrichtung ebenfalls die oben
beschriebenen Vorteile. Die Grenztemperatur des Heizleiters kann unabhängig
von der Grenztemperatur der wärmeabgebenden Einrichtungen begrenzt werden.
Ferner kann das Heizgerät mit der erfindungsgemäßen Begrenzung der Menge
des Mediums im Wärmerohr redundant abgesichert werden.
-
Bei dieser Weiterbildung ergibt sich eine besonders kostengünstige Lösung,
indem der Heizleiter in einer Längsöffnung eines Strangpressprofils eingeschoben
ist.
-
Als weitere, besonders sinnvolle Lösung für die wärmeerzeugende Einrichtung
kann diese mit mindestens einem Transistor versehen sein. Auch hier können die
oben genannten Vorteile genutzt werden.
-
Das Anordnen eines Transistors ist besonders kostengünstig möglich, indem der
Transistor an einer Funktionsfläche mit einem Teil der wärmeerzeugenden
Einrichtung, insbesondere einem Aluminium-Druckgussteil, wärmeleitend verbunden
ist. Funktionsflächen können auch an einem Strangpressprofil verhältnismäßig
einfach ausgebildet werden.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Fahrzeug-
Klimaanlage anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigt:
-
Fig. 1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Klimaanlage,
-
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Heizgeräts der Klimaanlage
gemäß Fig. 1,
-
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Abschnitts eines teilweise aufgebrochenen
Wärmerohrs des Heizgeräts gemäß Fig. 2,
-
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Strangpressprofils einer
wärmeerzeugenden Einrichtung an einem Heizgerät gemäß Fig. 2,
-
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Strangpressprofils einer
wärmeerzeugenden Einrichtung an einem Heizgerät gemäß Fig. 2, und
-
Fig. 6 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen Widerstand
und Temperatur einer PTC-Keramik veranschaulicht.
-
In Fig. 1 ist eine Klimaanlage 10 für ein Fahrzeug 12 in Gestalt eines
Personenkraftwagens dargestellt. Die Klimaanlage 10 ist im Bereich einer
Instrumententafel 14 des Fahrzeugs 12 eingebaut. Sie weist einen Lufteinlass 16 auf, der sich
zwischen einer Motorhaube 18 und einer Windschutzscheibe 20 des Fahrzeugs
12 befindet. Unterhalb des Lufteinlasses 16 befindet sich ein Luftgebläse 22,
welches Luft aus der Umgebung des Fahrzeugs 12 in einen Klimakasten 24 fördert.
Der Klimakasten 24 ist ein Raum, der sich unterhalb der Windschutzscheibe 20
befindet und in dem zwei Wärmeübertrager 26, 28 und ein Heizgerät 30
hintereinander angeordnet sind.
-
Luft, die vom Luftgebläse 22 durch die Wärmeübertrager 26, 28 bzw. das
Heizgerät 30 gefördert und gegebenenfalls erwärmt worden ist, gelangt nachfolgend in
diverse Luftkanäle 32, 34 und 36, die in der Instrumententafel 14 ausgebildet
sind. Durch die Luftkanäle 32, 34 und 36 gelangt die Luft zu Auslassklappen 38,
40 und 42 und schließlich durch Luftauslässe 44, 46 und 48 in einen
Fahrgastraum 50.
-
Die Wärmeübertrager 26 und 28 sind für flüssige Wärmeträger vorgesehen,
beispielsweise das Kühlwasser eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors des
Fahrzeugs 12. Die flüssigen Wärmeträger werden von einer weiter nicht
dargestellten Heizung oder Kühlung des Fahrzeugs 12 durch die Wärmeübertrager 26
und 28 gefördert.
-
Das Heizgerät 30 ist als elektrischer Zuheizer gestaltet, mit dessen Hilfe die Luft
aus der Umgebung des Fahrzeugs 12 erwärmt werden soll, wenn von der
restlichen Heizung des Fahrzeugs 12 nicht ausreichend Wärmeenergie bereit gestellt
werden kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Kühlwasser des
Verbrennungsmotors unmittelbar nach seinem Start kalt ist. Ferner kann ein
elektrischer Zuheizer sinnvoll bzw. erforderlich sein, wenn das Fahrzeug 12 mit einem
verbrauchsoptimierten Verbrennungsmotor versehen ist, der insgesamt
verhältnismäßig wenig Abwärme liefert.
-
Fig. 2 veranschaulicht den Grundaufbau des Heizgeräts 30.
-
Das Heizgerät 30 weist eine im wesentlichen geschlossene wärmeerzeugende
Einrichtung 52 auf, die mit wärmeleitenden Einrichtungen 54 in Gestalt von
Wärmerohren 58 verbunden ist. Die Wärmerohre 58 sind an wärmeabgebenden
Einrichtungen 56 in Form von einer Vielzahl Rippen wärmeleitend angeschlossen.
-
Die Einrichtungen 52, 54 und 56 bilden innerhalb des Heizgeräts 30 einzelne
Module, die je nach geforderter Heizleistung und gewünschten Strömungs- und
Platzverhältnissen an den Rippen einzeln angepasst und kombiniert werden
können. Dabei kann für die Wärmerohre 58 in Kombination mit den
wärmeabgebenden Rippen 56 ein herkömmlicher Wärmeübertrager verwendet werden, wie er
beispielsweise bei Wasser-Luft-Wärmeübertragern verwendet wird. Die Rippen
können auch als Wellen- oder zickzackförmiges Bleche zwischen je zwei
Wärmerohren 58 ausgebildet sein. Ein derartiger, kostengünstig zu fertigender
Wärmeübertrager ist beispielsweise aus EP 0 775 884 A3 bekannt. Die Wärmerohre
58 sind Rundrohre. Vorteilhaft ist auch eine Gestaltung als Flachrohre. Die oben
genannten zickzackförmigen Rippen können an solche Flachrohre besonders gut
angekoppelt werden.
-
Die wärmeerzeugende Einrichtung 52 ist an einem Rand des Heizgeräts 30
angeordnet. Von ihr stehen mehrere Wärmerohre 58 lotrecht ab und ragen durch
die Vielzahl Rippen 56, welche sich regelmäßig beabstandet parallel zur
wärmeerzeugenden Einrichtung 52 erstrecken. Die Wärmerohre 58 durchsetzen die
Rippen 56 also im wesentlichen senkrecht.
-
Zwischen der wärmeerzeugenden Einrichtung 52 und den Wärmerohren 58 sowie
zwischen den Wärmerohren 58 und den wärmeabgebenden Rippen 56 sind je
Verbindungen ausgebildet, die besonders gut wärmeleitend sind.
-
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmerohre 58 ermöglichen es, dass die
Heizelemente des Heizgeräts 30 an einem Rand oder zumindest in einem
Bereich des Heizgeräts 30 konzentriert werden können. Die erzeugte Wärme kann
mittels der Wärmerohre 58 erfindungsgemäß dennoch gleichmäßig über die
gesamte Fläche des Heizgeräts 30 verteilt werden, ohne dass es zur Bildung von
Kaltluftfahnen kommt.
-
In Fig. 3 ist die Funktion eines Wärmerohres 58 als wärmeleitende Einrichtung 54
innerhalb eines Heizgeräts 30 veranschaulicht. Solch ein Wärmerohr 58 wird
auch als "Heat-Pipe" bezeichnet.
-
Im Wärmerohr 58 erfolgt der Wärmetransport von unten noch oben. Im unteren
Bereich des Wärmerohres 58 sitzt als Wärmequelle die wärmeerzeugende
Einrichtung 52. Von ihr wird eine Flüssigkeit verdampft, die sich im Wärmerohr 58
befindet. Als Flüssigkeit kann beispielsweise hochreines Wasser verwendet
werden. Die verdampfte Flüssigkeit steigt mit hoher Geschwindigkeit als Dampf im
Wärmerohr 58 auf. Dies ist mit Pfeil A veranschaulicht.
-
Der Dampf gelangt an Stellen einer hohlzylindrischen Wand 60 des Wärmerohrs
58, an denen verhältnismäßig geringe Temperaturen herrschen, weil das
Wärmerohr 58 dort beispielsweise durch Wärmeleitung an einer Rippe 56 gekühlt
worden ist (Pfeil B). An den kälteren Stellen kondensiert der Dampf. Der
verflüssigte Dampf strömt als Flüssigkeit zum unteren Bereich des Wärmerohres 58 und
der dort angeordneten Wärmequelle zurück (Pfeil C). Mit einem erneuten
Verdampfen der Flüssigkeit beginnt der beschriebene Kreislauf des Wärmetransports
von neuem.
-
Der Dampf kondensiert am Wärmerohr 58 genau dort, wo die kälteren Stellen der
Wand 60 sind, also an den Stellen, an denen Heizbedarf besteht. Die Wand 60
des Wärmerohrs 58 ist daher nahezu homogen temperiert. Ein merklicher
Temperaturabfall, wie man ihn bei der Wärmeleitung in einem Festkörper kennt, ist im
allgemeinen nicht zu verzeichnen. Durch den Phasenübergang zwischen flüssig
und gasförmig können große Wärmemengen transportiert werden. Die
Wärmetransportfähigkeit eines solchen Wärmerohres 58 ist im Vergleich zu Festkörpern
mit ähnlichen Abmessungen etwa 10 bis 1000 mal höher.
-
Das Zurückführen der kondensierten Flüssigkeit zur Wärmequelle kann auch
durch Kapillarwirkung in beispielsweise einem feinen Netz an der Innenseite des
Wärmerohres 58 erfolgen. Das Wärmerohr 58 kann dann auch waagrecht
angeordnet betrieben werden.
-
Die Wärmerohre 58 sind je mit einer derart geringen Menge Flüssigkeit gefüllt,
dass bei Erreichen einer vorbestimmten Grenztemperatur an den
wärmeabgebenden Einrichtungen 56 die gesamte Menge Flüssigkeit verdampft worden ist.
Die verdampfte Flüssigkeit füllt in diesem Fall die Wärmerohre 58 je bei einem
bestimmten Druck aus. Weitere Phasenwechsel von flüssig zu dampfförmig und
von dampfförmig zu flüssig entfallen. Daher geht die Transportfähigkeit an
Wärmeenergie der einzelnen Wärmerohre 58 nahezu schlagartig und in erheblichem
Umfang zurück.
-
Es ist ein Mechanismus gefunden, um die wärmeerzeugende Einrichtung 52 ab
einer gewissen Grenztemperatur wärmetechnisch von den wärmeabgebenden
Einrichtungen 56 abzukoppeln. Für das Heizgerät 30 ist eine wirkungsvolle,
einfach und kostengünstig zu realisierender sowie wartungsfreier
Überhitzungsschutz geschaffen.
-
Bei dieser Art Temperatursicherung ergibt sich der Vorteil, dass die Temperatur
an der wärmeerzeugenden Einrichtung 52 sofort ansteigt, sobald sich einzelne
Wärmerohre 58 abkoppeln. Die noch angekoppelten Wärmerohre 58 werden
verstärkt erwärmt und sogleich zum Abkoppeln geführt. Zugleich entsteht an der
wärmeerzeugenden Einrichtung 52 ein Wärmestau, der vorteilhaft zum sofortigen
Abregeln der wärmeerzeugenden Einrichtung 52 genutzt werden kann.
-
In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer wärmeerzeugenden Einrichtung
52 dargestellt, wie sie für das erfindungsgemäße Heizgerät 30 verwendet wird.
-
Die wärmeerzeugende Einrichtung 52 weist ein Strangpressprofil 62 aus einer
Aluminiumlegierung mit einem im wesentlichen zylindrischen Grundkörper auf, in
dem eine zylindrische Längsöffnung 64 und quer zu dieser drei zylindrische
Queröffnungen 66 ausgebildet sind.
-
In die Queröffnungen 66 sind bei montiertem Heizgerät 30 untere Enden der
Wärmerohre 58 eingesteckt und dort wärmeleitend verstemmt oder verlötet. Bei
einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die
wärmeerzeugenden Einrichtung 62 mit einem Druckgusskörper gestaltet, in den Wärmerohre 58
eingepresst sind.
-
Die Längsöffnung 64 dient zum Aufnehmen eines elektrischen Heizelementes in
Gestalt eines Heizstabes 68. Der Heizstab 68 ist mit einem zylindrischen
Rohrmantel 70 versehen, dessen Durchmesser an den Durchmesser der
Längsöffnung 64 angepasst ist. Im Rohrmantel 70 befindet sich Isoliermasse 72. An den
Enden ist der Rohrmantel 70 durch keramische Endbuchsen 74 verschlossen, an
denen je ein elektrischer Anschluss 76 mit einem Anschlussbolzen 78 angeordnet
ist. Zwischen den Anschlussbolzen 78 ist ein Heizleiter 80 durch die keramischen
Endbuchsen 74 und die Isoliermasse 72 geführt. Bei einem nicht dargestellten
Ausführungsbeispiel ist der Rohrmantel 70 weggelassen und der Heizleiter 80
sowie die Isoliermasse 72 sind unmittelbar in die Längsöffnung 64 eingefügt und
in dieser festgelegt.
-
Mit Hilfe des Heizleiters 80 kann im Betrieb des Heizgeräts 30 mit dem Heizstab
68 das Strangpressprofil 62 aufgeheizt werden. Das Strangpressprofil 62
überträgt die Wärme unmittelbar auf die eingebetteten Enden der Wärmerohre 58.
Diese führen die Wärme gleichmäßig und schnell zu den Rippen, die als
wärmeabgebende Einrichtungen 56 dienen.
-
Am Strangpressprofil 62 ist schließlich noch eine Abplattung 82 ausgebildet,
mittels der das Strangpressprofil 62 und gegebenenfalls die an ihm angebrachten
Wärmerohre 58 mit den Rippen 56 direkt an einem Bauteil des Fahrzeugs 12
oder in einem nicht dargestellten Außengehäuse des Heizgeräts 30 befestigt
werden können. Die Abplattung 82 kann auch zum Befestigen eines Regel-
Transistors dienen, mit dem die Heizleistung des Heizleiters 80 elektrisch
geregelt wird.
-
In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer wärmeerzeugenden
Einrichtung 52 mit einem Strangpressprofil 84 dargestellt, welches zum Aufnehmen von
PTC-Heizelementen 86 dient.
-
Das Strangpressprofil 84 ist als zylindrischer Grundkörper gestaltet, in dem ein
Längsschlitz 88 und quer zu diesem drei Queröffnungen 90 ausgebildet sind. Die
Queröffnungen 90 dienen wiederum zum Aufnehmen von Enden der Wärmerohre
58.
-
Im Längsschlitz 88 werden bei der Montage des Heizgeräts 30 die PTC-
Heizelemente 86 eingeklemmt. Zum Klemmen wird das Strangpressprofil 84 im
Bereich des Längsschlitzes 88 elastisch geweitet, die PTC-Heizelemente 86
werden eingeschoben und es wird zugelassen, dass sich der Längsschlitz 88 wieder
elastisch verengt.
-
Somit ist zwischen dem Strangpressprofil 84 und den PTC-Heizelementen 86
eine gut wärmeleitende und zugleich für eine elektrische Kontaktierung geeignete
Verbindung geschaffen. Für diese sind im Längsschlitz 88 nicht dargestellte
Funktionsflächen ausgebildet. Auch die weitere Kontaktierung der PTC-
Heizelemente 86 ist in der vereinfachten Darstellung der Fig. 5 weggelassen
worden.
-
Die PTC-Heizelemente 86 sind beim Heizgerät 30 die Bauteile, welche aufgrund
ihrer komplexen Herstellung und ihres teueren Materials die höchsten Kosten
verursachen. Man ist daher bestrebt, die PTC-Heizelemente 86 mit maximaler
Leistung P zu betreiben. Bei konstanter Versorgungsspannung bedeutet dies
wegen P = U2/R, dass auf der Widerstandskennlinie der PTC-Heizelemente 86 der
minimale Widerstand angesteuert werden sollte.
-
Der eingangs beschriebene Gleichgewichtszustand zwischen Widerstand und
Temperatur an den PTC-Heizelementen 86 und auch die dabei erreichte
Temperatur der Keramik hängen in hohem Maße von der Wärmeabgabe an die
Umgebung ab. Nur mit einer günstigen wärmeleitenden Einrichtung 54 können hohe
Heizleistungen erzielt und damit ein optimiertes und langlebiges Heizgerät 30 mit
PTC-Keramik geschaffen werden.
-
Die erfindungsgemäße Kombination von PTC-Heizelementen 86 mit
Wärmerohren 58 führt zu einer stärkeren Ableitung von Wärme von den PTC-
Heizelementen 86 als bei bisher verwendeten Technologien. Als Folge der
besseren Wärmeleitung erniedrigt sich die Temperaturdifferenz zwischen den PTC-
Heizelementen 86 und den wärmeabgebenden Einrichtungen 56 des Heizgeräts
30. Das PTC-Heizelement 86 kühlt ab. Die damit verbundene Erhöhung des
Widerstandes lässt die elektrische Leistung abfallen, bis ein neuer
Gleichgewichtszustand erreicht ist (siehe Punkt 1 nach Punkt 2 in Fig. 6). Die PTC-Heizelemente
86 würden also grundsätzlich bei niedrigerer Temperatur betrieben.
-
Nun kann jedoch eine PTC-Keramik mit einem besonders niedrigen elektrischen
Widerstand verwendet werden. Dadurch erhöht sich die Leistung der PTC-
Heizelemente 86 und somit steigt die Temperatur wieder auf den optimalen
Betriebspunkt an (siehe Punkt 2 nach Punkt 3 in Fig. 6). Beim optimalen
Betriebspunkt befinden sich die PTC-Heizelemente 86 in der Nähe der Stelle des
niedrigsten Widerstandes der PTC-Keramik.
-
Dies bedeutet, dass die PTC-Heizelemente 86 das niedrigste Eigengewicht pro
abgegebener Leistung aufweisen. Die erfindungsgemäße Verwendung von
Wärmerohren 58 bietet also die Möglichkeit, bei konstanter Heizleistung die Anzahl
und das Gewicht der PTC-Heizelemente 86 samt Kontaktierung signifikant zu
verringern. Die Heizleistung kann bezogen auf die Kosten der PTC-Heizelemente
erheblich gesteigert werden. Darüber hinaus kann die wärmeerzeugende
Einrichtung 52 besonders kompakt gestaltet sein.
Bezugszeichenliste
10 Klimaanlage
12 Fahrzeug
14 Instrumententafel
16 Lufteinlass
18 Motorhaube
20 Windschutzscheibe
22 Luftgebläse
24 Klimakasten
26 Wärmeübertrager
28 Wärmeübertrager
30 Heizgerät
32 Luftkanal
34 Luftkanal
36 Luftkanal
38 Auslassklappe
40 Auslassklappe
42 Auslassklappe
44 Luftauslass
46 Luftauslass
48 Luftauslass
50 Fahrgastraum
52 wärmeerzeugende Einrichtung
54 wärmleitende Einrichtung
56 wärmeabgebende Einrichtung
58 Wärmerohr
60 Wand
62 Strangpressprofil
64 Längsöffnung
66 Queröffnung
68 Heizstab
70 Rohrmantel
72 Isoliermasse
74 Endbuchse
76 Anschluss
78 Anschlussbolzen
80 Heizleiter
82 Abplattung
84 Strangpressprofil
86 PTC-Heizelement
88 Längsschlitz
90 Queröffnung