DE10157399B4

DE10157399B4 - Heizkörper mit zwei wärmezuführenden Einrichtungen

Info

Publication number: DE10157399B4
Application number: DE2001157399
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Erbacher
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2021-11-24
Also published as: DE10157399A1

Abstract

Heizkörper (28) für eine Fahrzeug-Klimaanlage (10) mit mindestens zwei verschiedenartigen wärmezuführenden Einrichtungen (52a, 52b) und mindestens zwei wärmeableitenden Rohren (58a, 58b), von denen ein erstes Rohr (58a) als Fluidleitung gestaltet ist, durch die von einer ersten wärmezuführenden Einrichtung (52a) ein fluider Wärmeträger gefördert werden kann, und von denen dem zweiten Rohr (58b) von der zweiten wärmezuführenden Einrichtung (52b) Wärmeenergie zugeführt werden kann, bei der das zweite Rohr (58b) als Wärmerohr gestaltet ist, in dem sich ein verdampfendes und kondensierendes Medium zum Ableiten der zugeführten Wärmeenergie befindet, und bei der die beiden Rohre (58a, 58b) je mit mindestens einer Rippe (56) wärmeleitend verbunden sind, wobei die Rippe (56) in einem Bereich zwischen den beiden mit den selben Außenmaßen ausgebildeten Rohren (58a, 58b) einen isolierenden Abschnitt (61) aufweist, und wobei die zweite wärmezuführende Einrichtung (58b) mit mindestens einem PTC-Heizelement (86) versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizkörper für eine Fahrzeug-Klimaanlage mit mindestens zwei verschiedenartigen wärmezuführenden Einrichtungen und mindestens zwei wärmeableitenden Rohren, von denen ein erstes Rohr als Fluidleitung gestaltet ist, durch die von einer ersten wärmezuführenden Einrichtung ein fluider Wärmeträger gefördert werden kann, und von denen dem zweiten Rohr von der zweiten wärmezuführenden Einrichtung Wärmeenergie zugeführt werden kann. Ferner betrifft die Erfindung eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem derartigen Heizkörper.
Heizkörper der eingangs genannten Art werden bei Fahrzeug-Klimaanlagen 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.
Aus der EP 0 707 434 A2 ist ein gattungsgemäßer Heizkörper bzw. Zuheizer bekannt, bei dem ein erster Teil der Rohre als Wasserrohre zum Durchströmen mit Kühlflüssigkeit eines Verbrennungsmotors gestaltet ist, während ein zweiter Teil der Rohre in Form von PTC-Heizrohren ausgebildet ist. In den PTC-Heizrohren sind PTC-Heizelemente bzw. Bausteine hintereinander angeordnet. Die PTC-Heizrohre sind von Hüllrohren umgeben und können in diese als PTC-Einschubteil eingeschoben werden.
PTC-Heizelemente regeln bei Erreichen einer bestimmten Grenztemperatur durch Ansteigen ihres Widerstandes ihre Leistung selbsttätig ab. Diese Eigenschaft kann ideal für Heizanwendungen genutzt und ein PTC-Heizelement als selbstregelnde dynamische Heizung verwendet werden. Bei dem Heizkörper gemäß der EP 0 707 434 A2 sind für die in den Heizrohren verteilten PTC-Heizelemente jedoch 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 des Zuheizers 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 Heizkörpers. Diese Kaltstellen können sich als Kaltluftfahnen durch die Luftkanäle der Klimaanlage ziehen.
Es sind auch elektrische Heizkörper 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 Heizkörpers 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 von hoher Stromstärke müssen mit Wiederholraten von beispielsweise 30 Hz und 100 Hz geschaltet werden. Dies führt zu erheblichen Problemen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit des Heizkörpers innerhalb des Fahrzeugs.
Aus JP 63 265752 A ist ein Fluidheizgerät bekannt, bei dem mit einem Wärmerohr (einer sogenannten Heat-Pipe) von einem PTC-Heizelement Wärme zu Rippen in einem Wärmespeicher und zu Rippen in einem Durchfluss-Wärmeübertrager transportiert werden kann. Das PTC-Heizelement dient als wärmezuführende Einrichtung, von der die Wärme über das Wärmerohr zu den Rippen geleitet wird. Ziel ist es durch besondere Techniken im Wärmespeicher Wärme über einen langen Zeitraum zu speichern. Bei dem letztgenannten Heizkörper besteht das Problem, dass dieser verhältnismäßig teuer in der Herstellung ist. Insbesondere die Gestaltung der wärmezuführenden Einrichtung ist aufwendig.
Aus DE 40 14 501 A1 ist eine Fahrzeugheizungsanlage bekannt, bei der unter anderem ein Brenner an einem zweiphasigen Kreislauf mit einem Kondensationswärmetauscher angeschlossen ist. Der zweiphasige Kreislauf ist in Gestalt von Wärmerohren ausgebildet. Der Kondensationswärmetauscher und ein fahrzeugeigener Wärmetauscher sind zu einem einzigen gemeinsamen Wärmetauscher zusammengefasst. Der gemeinsame Wärmetauscher ist aus einem Metallsinterwerkstoff zur Luftdurchleitung gestaltet, in dem Kühlflüssigkeitsrohre und die Wärmerohre vorgesehen sind. Damit mit den Wärmerohren auch eine Motorvorwärmung über die Kühlflüssigkeit vorgenommen werden kann, ist zwischen den Kühlflüssigkeitsrohren und den Wärmerohren prinzipiell ein möglichst guter Wärmeübergang erforderlich.
Aus DE 199 11 547 A1 ist eine elektrische Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit aus mehreren, parallel angeordneten und PTC-Elemente aufweisenden Heizelementen bekannt.
Aus der DE 100 45 656 A1 ist ein doppelter Wärmetauscher bekannt, bei dem ein Teil von einem Kühler für das Kühlwasser eines Fahrzeugmotors und der andere Teil von einem Kondensator einer Fahrzeugklimaanlage gebildet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizkörper, der kostengünstig herstellbar ist und zugleich bei einem veränderten Wärmeenergieeintrag durch eine wärmezuführende Einrichtung besonders schnell mit einer entsprechenden Temperaturänderung an der Oberfläche der Rippen des Wärmeübertragers reagiert, sowie eine Klimaanlage und ein Fahrzeug mit einem derartigen Heizkörper bereitzustellen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Heizkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, bei dem die Rippe in einem Bereich zwischen den beiden Rohren einen isolierenden Abschnitt aufweist. Ferner ist die Aufgabe mit einer Klimaanlage gelöst, bei der ein derartiger erfindungsgemäßer Heizkörper eingebaut ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Erfindungsgemäß ist ein Heizkörper vorgesehen, dessen Wärmeübertrager teilweise mit Rohren versehen ist, die als Fluidleitungen dienen und einen herkömmlichen „Wasserheizkörper" bilden, während ein zweiter Teil der Rohre als Wärmerohre ausgebildet ist, die von einer zweiten wärmezuführenden Einrichtung Wärmeenergie in den Heizkörper einbringen können.
Um den Wärmeübergang von den erfindungsgemäßen Rohren auf die zu erwärmende Luft zu verbessern, sind die beiden Rohre des Wärmeübertragers je mit mindestens einer Rippe wärmeleitend verbunden, die sich insbesondere im Wesentlichen quer zur Längsrichtung der Rohre erstreckt.
Die Rippe weist ferner in einem Bereich zwischen den beiden Rohren einen isolierenden Abschnitt auf, der insbesondere durch eine Aussparung in der Rippe gebildet ist. Mit dem isolierenden Abschnitt ist der grundsätzlich homogen aufgebaute Wärmeübertrager des Heizkörpers wärmetechnisch getrennt. Es ist ein Rippenbereich gebildet, der von den Fluidleitungen erwärmt wird, während der andere Rippenbereich jenseits des isolierenden Abschnitts Wärmeenergie von den Wärmerohren aufnimmt. Wird nun nur eine der beiden wärmezuführenden Einrichtungen betrieben, so strömt die in den Wärmeübertrager eingebrachte Wärmeenergie nur in einen Rippenbereich ein. Der Wärmeübertrager reagiert daher bei einem veränderten Wärmeenergieeintrag durch eine wärmezuführende Einrichtung besonders schnell mit einer entsprechenden Temperaturänderung an der Oberfläche des Wärmeübertragers.
Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung ist zu beachten, dass die beiden Rohre grundlegend verschiedene Funktionen erfüllen. Während in den Fluidleitungen Wärmeenergie durch das Weiterleiten eines warmen Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit, transportiert wird, finden in den Wärmerohren stetig Phasenwechsel zwischen flüssig und gasförmig statt, wobei die Wärmeenergie jeweils bei den Phasenwechseln aufgenommen und abgegeben wird.
Trotz dieser unterschiedlichen Funktion können die beiden Rohre sehr ähnlich gestaltet sein. Beispielsweise können oftmals die gleichen Rohmaterialien verwendet werden. Es können in der Regel auch die gleichen Fertigungsverfahren angewendet werden. Die Rohre und ein umgebender Wärmeübertrager eines erfindungsgemäßen Heizkörpers können daher besonders kostengünstig hergestellt werden.
Darüber hinaus kann mit Hilfe der Wärmerohre die von der zweiten wärmezuführenden Einrichtung eingebrachte Wärmeenergie besonders gleichmäßig und auch besonders schnell über die Oberfläche des Wärmeübertragers verteilt wer den.
Die erfindungsgemäße Gestaltung hat ferner zur Folge, dass beide wärmezuführenden Einrichtungen in einem begrenzten Bereich, insbesondere am Rand des Heizkörpers angebracht sein können. Die Wärmerohre führen, ähnlich wie die Fluidleitungen, Wärmeenergie von außen in den Heizkörper ein. Die wärmezuführende Einrichtung selbst braucht hingegen nicht in die Rohre integriert zu werden, wie es beispielsweise bei den PTC-Heizelementen von herkömmlichen Zuheizern der Fall ist.
Schließlich ist anzumerken, dass der erfindungsgemäße Heizkörper aufgrund der mit den selben Außenmaßen ausgebildeten Rohrstruktur beider Rohre insgesamt regelmäßig aufge baut sein kann und daher die zu erwärmende Luft alle Teile des Wärmeübertra gers gleichmäßig schnell und gleichmäßig stark durchströmt. Der Luftstrom wird also insgesamt homogen erwärmt, ohne dass es zur Bildung von Kältefahnen kommt.
Gemäß der Erfindung sind die beiden Rohre in der Weise gleich gestaltet, dass sie mit denselben Außenmaßen ausgebildet sind. Die Wärmerohre sind also in ihrer Geometrie im wesentlichen wie die Fluidleitungen gestaltet. Auf diese Weise wird der Wärmeübertrager mit einer Art von Rohren als gesamte Baugruppe hergestellt. Es werden für alle Bereiche des Wärmeübertragers dieselben Fertigungsschritte angewendet. Nachfolgend können die Wärmerohre beispielsweise noch an ihren Innenflächen beschichtet werden. Ansonsten sind aber keine unterschiedlichen Technologien erforderlich, um Fluidleitungen und Wärmerohre auszubilden.
Die erfindungsgemäßen ersten und zweiten Rohre sind ferner vorteilhaft je in einer Reihe angeordnet. Die beiden Reihen können in Strömungsrichtung der zu erwärmenden Luft hintereinander angeordnet sein. Dabei können die einzelnen Rohre einer Reihe im Strömungsschatten der anderen positioniert sein. Ein derart gestalteter Wärmeübertrager weist einen besonders geringen Strömungswiderstand auf. Alternativ können die Rohre der einzelnen Reihen zueinander versetzt angeordnet sein. Diese Anordnung führt zu zusätzlicher Turbulenz der Luft beim Durchströmen des Wärmeübertragers und ist besonders sinnvoll, wenn die Luft vorwiegend gleichzeitig mit den Fluidleitungen und den Wärmerohren aufgeheizt wird.
An die in Reihe angeordneten Rohre können insbesondere wärmezuführende Einrichtungen in Gestalt eines länglichen Körpers mit geringem Aufwand angekoppelt werden. Die Einrichtungen liegen je mit einer Längsseite an einer Reihe der Rohre an. Sie führen also das Fluid bzw. die Wärmeenergie in die jeweiligen Enden der Rohre ein. Die Gestaltung ist für die Fluidleitungen und die Wärmerohre in gleicher Weise passend. Im Bereich der Ankopplung und bei den wärmezuführenden Einrichtungen können wiederum gleichartige Konstruktionen verwendet und Synergieeffekte beim Teileeinkauf, der Fertigung und der Montage genutzt werden.
Die genannten reihenförmig angeordneten Rohre können besonders kostengünstig zu einem Wasser-Wärmeübertrager und einem damit verbundenen Wärmerohr-Wärmeübertrager vervollständigt werden, indem die ersten Rohre an ihren der ersten wärmezuführenden Einrichtung entgegengesetzten Enden mit einem länglichen Anschlusskörper fluidleitend gekoppelt sind, während die zweiten Rohre an ihren der zweiten wärmezuführenden Einrichtung entgegengesetzten Enden mit einem länglichen Verschlusskörper verschlossen sind. Anschlusskörper und Verschlusskörper können als Standartbauteile bei verschiedenen Rohrlängen verwendet werden. Es können so Heizkörper mit verschiedener Wärmeübertragungsleistung kostengünstig hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße zweite wärmezuführende Einrichtung ist besonders vorteilhaft mit PTC-Heizelementen versehen. Diese bilden eine selbsttätig abregelnde Heizeinrichtung. Die PTC-Heizelemente können eine hohe Wärmeenergiemenge auf kleinem Raum an den Enden der Wärmerohre bereitstellen. Beim erfindungsgemäßen Heizkörper müssen die PTC-Heizelemente jedoch nicht in den Wärmeübertrager eingebettet werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Heizkörpers für eine Fahrzeug-Klimaanlage anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
1 einen Querschnitt einer Klimaanlage,
2 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Heizkörpers der Klimaanlage gemäß 1,
2a eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Heizkörpers der Klimaanlage gemäß 1,
2b eine perspektivische Ansicht der wärmeabgebenden Einrichtungen des Heizkörpers gemäß 2a,
3 eine Seitenansicht eines Abschnitts eines teilweise aufgebrochenen Wärmerohrs des Heizkörpers gemäß 2,
4 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Strangpressprofils einer wärmezuführenden Einrichtung an einem Heizkörper gemäß 2,
5 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Strangpressprofils einer wärmezuführenden Einrichtung an einem Heizkörper gemäß 2, und
6 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur einer PTC-Keramik veranschaulicht.
In 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 ein Wärmeübertrager 26 sowie ein Heizkörper 28 hintereinander angeordnet sind.
Luft, die vom Luftgebläse 22 durch den Wärmeübertrager 26 bzw. den Heizkörper 28 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.
Der Wärmeübertrager 26 ist für einen flüssigen Wärmeträger vorgesehen, beispielsweise das Kältemittel einer nicht dargestellten Kühlung des Fahrzeugs 12. Der flüssige Wärmeträger wird von einer Pumpe an der Kühlung des Fahrzeugs 12 durch den Wärmeübertrager 26 gefördert.
2 veranschaulicht den Grundaufbau des Heizkörpers 28. Der Heizkörper 28 ist als Kombination eines Wasser-Heizabschnitts 30a mit einem elektrischen Heizabschnitt 30b gestaltet. Eine Pumpe an einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor fördert Kühlwasser des Verbrennungsmotors durch den Wasser-Heizabschnitt 30a. Mit dem elektrischen Heizabschnitt 30b kann Luft aus der Umgebung des Fahrzeugs 12 erwärmt werden, wenn vom Verbrennungsmotor des Fahrzeugs 12 nicht ausreichend Wärmeenergie bereit gestellt werden kann. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn das Kühlwasser des Verbrennungsmotors unmittelbar nach dessen Start kalt ist. Ferner kann ein elektrischer Heizabschnitt 30b sinnvoll bzw. erforderlich sein, wenn das Fahrzeug 12 mit einem verbrauchsoptimierten Verbrennungsmotor versehen ist, der insgesamt verhältnismäßig wenig Abwärme liefert.
Jeder Heizabschnitt 30a bzw. 30b des Heizkörpers 28 weist eine im wesentlichen geschlossene wärmezuführende Einrichtung 52a bzw. 52b auf, die je mit wärmeleitenden Einrichtungen in Gestalt von Rohren 58a bzw. 58b verbunden sind. Die Rohre 58a und 58b sind alle an eine Vielzahl wärmeabgebender Einrichtungen 56 in Form von parallelen Rippen wärmeleitend angeschlossen.
An den Enden der Rohre 58a bzw. 58b, welche den wärmezuführenden Einrichtungen 52a und 52b entgegengesetzt sind, befindet sich ein Anschlusskörper 59a bzw. ein Verschlusskörper 59b.
Die Einrichtung 52a, die Einrichtung 52b, die Bauteile 56 und 58a sowie 58b, der Anschlusskörper 59a und schließlich der Verschlusskörper 59b bilden innerhalb des Heizkörpers 28 einzelne Module, die je nach geforderter Heizleistung und gewünschten Strömungs- und Platzverhältnissen im Klimakasten 24 einzeln angepasst und kombiniert werden können. Dabei kann für die Bauteile 56, 58a und 58b ein herkömmlicher Wärmeübertrager verwendet werden, wie er beispielsweise bei Wasser-Luft-Wärmeübertragern mit einer Vielzahl Rohren und Rippen verwendet wird. Die Rippen 56 können, wie in 2a und 2b veranschaulicht ist, auch als wellen- oder zickzackförmiges Bleche zwischen je zwei Rohren 58a und 58b ausgebildet sein. Die Rohre 58a und 58b gemäß 2 sind Rundrohre. Vorteilhaft ist auch eine Gestaltung als Flachrohre, wie sie in 2a gezeigt ist. Die oben genannten zickzackförmigen Rippen 56 können an solche Flachrohre besonders gut angekoppelt werden.
Die wärmezuführenden Einrichtungen 52a und 52b sind als längliche Körper am bezogen auf 2 unteren Rand des Heizkörpers 28 angeordnet. Die wärmezuführende Einrichtung 52a ist als ein Anschlussrohr für einen nicht dargestellten Kühlwasserkreislauf des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs 12 gestaltet. Die wärmezuführende Einrichtung 52b wird weiter unten genauer erläutert.
Die Rohre 58a bzw. 58b stehen je von einer Seite der länglichen Körper der wärmezuführenden Einrichtungen 52a und 2b lotrecht ab und ragen durch die Vielzahl Rippen 56, welche sich regelmäßig beabstandet parallel zu den wärmezuführenden Einrichtungen 52a und 52b erstrecken. Die Rohre 58a und 58b durchsetzen die Rippen 56 im wesentlichen senkrecht. Mit den Rohren 58a und 58b sind zwei Reihen gebildet, die je einer der wärmezuführenden Einrichtungen 52a und 52b zugeordnet sind. Die einzelnen Rohre 58a und 58b der Reihen sind in Strömungsrichtung gemäß dem Pfeil L der zu erwärmenden Luft hintereinander angeordnet.
Bei einem nicht dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die Rohre 58a im wesentlichen senkrecht zu den Rohren 58b angeordnet und über speziell geformte Verbindungsstege miteinander verbunden. Es sind dann keine Rippen bzw. Lamellen erforderlich.
Die Rohre 58a bilden Fluidleitungen und sind mit der wärmezuführenden Einrichtung 52a fluidleitend verbunden. Die Rohre 58b sind als Wärmerohre gestaltet, die mit der wärmezuführenden Einrichtung 52b wärmeleitend verbunden sind. Zwischen den Rohren 58a und 58b und den wärmeabgebenden Rippen 56 sind ebenfalls je wärmeleitende Verbindungen ausgebildet.
Innerhalb jeder Rippe 56 sind isolierende Abschnitte 61 in Gestalt von schlitzförmigen Aussparungen ausgebildet, die sich quer zwischen gegenüberliegenden Rohren 58a und 58b erstrecken. Die Aussparungen sind von Stegen 63 begrenzt, die innerhalb einer Rippe 56 den Wasser-Heizabschnitt 30a mit dem elektrischen Heizabschnitt 30b verbinden. Die Rippen 56 und damit der gesamte Wärmetauscher des Heizkörpers 28 ist also grundsätzlich wärmetechnisch geteilt, durch die Stege 63 aber ausreichend stabil verbunden, um als ein einziges Bauteil gehandhabt und montiert zu werden.
Der Anschlusskörper 59a stellt zwischen einzelnen Rohren 58a fluidleitende Verbindungen her. Der Verschlusskörper 59b dient zum Verschließen aller Rohre 58b an deren Enden.
Die als Wärmerohre gestalteten Rohre 58b ermöglichen es, dass Heizelemente des elektrischen Heizabschnitts 30b an einem Rand oder zumindest in einem begrenzten Bereich des Heizkörpers 28 konzentriert sind. Die erzeugte Wärme kann mit den Rohren 58b besonders gleichmäßig über die gesamte Fläche des Heizkörpers 28 verteilt werden, ohne dass es zur Bildung von Kaltluftfahnen kommt.
In 3 ist die Funktion der Rohre 58b als Wärmerohre innerhalb eines Heizkörpers 28 veranschaulicht.
Im Rohr 58b erfolgt der Wärmetransport von unten noch oben. Im unteren Bereich des Rohres 58b befindet sich als Wärmequelle die wärmezuführende Einrichtung 52b. Durch sie wird eine Flüssigkeit verdampft, die sich im Rohr 58b befindet. Als Flüssigkeit kann beispielsweise hochreines Wasser verwendet werden. Die verdampfte Flüssigkeit steigt mit hoher Geschwindigkeit als Dampf im Rohr 58b auf. Dies ist mit Pfeil A veranschaulicht.
Der Dampf gelangt an Stellen einer hohlzylindrischen Wand 60 des Rohres 58b, an denen verhältnismäßig geringe Temperaturen herrschen, weil das Rohr 58b 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 Rohres 58b und der dort ange ordneten Wärmequelle zurück (Pfeil C). Mit einem erneuten Verdampfen der Flüssigkeit beginnt der beschriebene Kreislauf des Wärmetransports von neuem.
Der Dampf kondensiert am Rohr 58b genau dort, wo die kälteren Stellen der Wand 60 sind, also an den Stellen, an denen Heizbedarf besteht. Die Wand 60 des Rohres 58b 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 Rohres 58b 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 Rohres 58b erfolgen. Das Rohr 58b kann dann auch waagrecht angeordnet betrieben werden.
Die Rohre 58b können je mit einer derart geringen Menge Flüssigkeit gefüllt sein, dass bei Erreichen einer vorbestimmten Grenztemperatur an den Rippen 56 die gesamte Menge Flüssigkeit verdampft worden ist. Die verdampfte Flüssigkeit füllt in diesem Fall die Rohre 58b je bei einem bestimmten Druck aus. Weitere Phasenwechsel von flüssig zu gasförmig und von gasförmig zu flüssig entfallen. Daher geht die Transportfähigkeit an Wärmeenergie der einzelnen Rohre 58b nahezu schlagartig und in erheblichem Umfang zurück.
Es ist ein Mechanismus gefunden, um die wärmezuführende Einrichtung 52b ab einer gewissen Grenztemperatur wärmetechnisch vom restlichen Wärmeübertrager abzukoppeln. Für den Heizkörper 28 ist eine wirkungsvolle, einfach und kostengünstig zu realisierende sowie wartungsfreie Temperatursicherung geschaffen.
Bei dieser Art Temperatursicherung ergibt sich der Vorteil, dass die Temperatur an der wärmezuführenden Einrichtung 52b sofort ansteigt, sobald sich einzelne Rohre 58b abkoppeln. Die noch angekoppelten Rohre 58b werden verstärkt erwärmt und sogleich zum Abkoppeln geführt. Zugleich entsteht an der wärmezuführenden Einrichtung 52b ein Wärmestau, der vorteilhaft zum sofortigen Abregeln der wärmezuführenden Einrichtung 52b genutzt werden kann.
In 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer wärmezuführenden Einrichtung 52b dargestellt, wie sie für den Heizkörper 28 verwendet werden kann.
Die wärmezuführende Einrichtung 52b 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 Heizkörper 28 untere Enden der Rohre 58b eingesteckt und dort wärmeleitend verstemmt oder verlötet.
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 Rohrmangel 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 zum Betrieb des Heizkörpers 28 mit dem Heizstab 68 das Strangpressprofil 62 aufgeheizt werden. Das Strangpressprofil 62 überträgt die Wärme unmittelbar auf die eingebetteten Enden der als Wärmerohre wirkenden Rohre 58b. Diese führen die Wärme gleichmäßig und schnell zu den Rippen 56, die als wärmeabgebende Einrichtungen dienen.
Am Strangpressprofil 62 ist schließlich noch eine Abplattung 82 ausgebildet, mittels der das Strangpressprofil 62 und gegebenenfalls die an ihm angebrachten Rohre 58b mit den Rippen 56 direkt an einem Bauteil des Fahrzeugs 12 oder in einem nicht dargestellten Außengehäuse des Heizkörpers 28 befestigt werden können. Die Abplattung 82 kann auch zum Befestigen eines Regel-Transistors dienen, mit dem die Heizleistung des Heizleiters 80 elektrisch geregelt wird.
Die in 4 dargestellte wärmezuführende Einrichtung 52b kann mit einer geringen Modifikation auch als wärmezuführende Einrichtung 52a verwendet werden. Es müssen lediglich die Queröffnungen 66 bis in die Längsöffnung 64 ragen, so dass zwischen der Längsöffnung 64 und den Queröffnungen 66 fluidleitende Verbindungen bestehen. Unter Umständen können die wärmezuführenden Einrichtungen 52a und 52b hinsichtlich ihres Gehäuses so als Gleichteile gestaltet sein. Es kann ferner sinnvoll sein, dass auch bei der wärmezuführenden Einrichtung 52b gemäß 4 die Querbohrungen 66 bis in die Längsöffnung 64 reichen. Die in die Queröffnungen 66 eingesetzten Rohre 58b gelangen dann in unmittelbaren Kontakt mit dem eingesetzten Heizelement.
In 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer wärmezuführenden Einrichtung 52b 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 Rohre 58b.
Im Längsschlitz 88 werden bei der Montage des Heizkörpers 28 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. Zum Verstärken der Klemm- bzw. Presskraft kann der Längsschlitz 88 auch beidseitig geschlossen aufgeführt sein oder durch beispielsweise eine Verschraubung zusammengepresst sein.
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. Die weitere Kontaktierung der PTC-Heizelemente 86 ist in der vereinfachten Darstellung der 5 weggelassen worden.
Die PTC-Heizelemente 86 sind beim Heizkörper 28 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 gut wärmeleitenden Einrichtung können hohe Heizleistungen erzielt und damit ein optimierter und langlebiger Heizkörper 28 mit PTC-Keramik geschaffen werden.
Die Kombination von PTC-Heizelementen 86 mit den als Wärmerohren wirkenden Rohren 58b führt zu einer stärkeren Ableitung von Wärme von den PTC-Heizelementen 86 als bei bisher verwendeten Technolgien. Als Folge der besseren Wärmeleitung erniedrigt sich die Temperaturdifferenz zwischen den PTC-Heizelementen 86 und den wärmeabgebenden Rippen 56 des Heizkörpers 28. Die PTC-Heizelemente 86 kühlen 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 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 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 Verwendung von Rohren 58b in der Funktion von Wärmerohren 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 wärmezuführende Einrichtung 52b besonders kompakt gestaltet sein.

10: Klimaanlage
12: Fahrzeug
14: Instrumententafel
16: Lufteinlass
18: Motorhaube
20: Windschutzscheibe
22: Luftgebläse
24: Klimakasten
26: Wärmeübertrager
28: Heizkörper
30a: Wasser-Heizabschnitt
30b: elektrischer Heizabschnitt
32: Luftkanal
34: Luftkanal
36: Luftkanal
38: Auslassklappe
40: Auslassklappe
42: Auslassklappe
44: Luftauslass
46: Luftauslass
48: Luftauslass
50: Fahrgastraum
52a: am Kühlwasserkreislauf angeschlossene wärmezuführende Einrichtung
52b: elektrische wärmezuführende Einrichtung
56: wärmeabgebende Rippe
58a: Rohr in der Funktion einer Fluidleitung
58b: Rohr in der Funktion eines Wärmerohres
59a: Anschlusskörper
59b: Verschlusskörper
60: Wand
61: isolierender Abschnitt
62: Strangpressprofil
63: Steg
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

Claims

Heizkörper (28) für eine Fahrzeug-Klimaanlage (10) mit mindestens zwei verschiedenartigen wärmezuführenden Einrichtungen (52a, 52b) und mindestens zwei wärmeableitenden Rohren (58a, 58b), von denen ein erstes Rohr (58a) als Fluidleitung gestaltet ist, durch die von einer ersten wärmezuführenden Einrichtung (52a) ein fluider Wärmeträger gefördert werden kann, und von denen dem zweiten Rohr (58b) von der zweiten wärmezuführenden Einrichtung (52b) Wärmeenergie zugeführt werden kann, bei der das zweite Rohr (58b) als Wärmerohr gestaltet ist, in dem sich ein verdampfendes und kondensierendes Medium zum Ableiten der zugeführten Wärmeenergie befindet, und bei der die beiden Rohre (58a, 58b) je mit mindestens einer Rippe (56) wärmeleitend verbunden sind, wobei die Rippe (56) in einem Bereich zwischen den beiden mit den selben Außenmaßen ausgebildeten Rohren (58a, 58b) einen isolierenden Abschnitt (61) aufweist, und wobei die zweite wärmezuführende Einrichtung (58b) mit mindestens einem PTC-Heizelement (86) versehen ist.
Heizkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (56) sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung der Rohre (58a, 58b) erstreckt.
Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der isolierende Abschnitt (61) durch eine Aussparung in der Rippe (56) gebildet ist.
Heizkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste und zweite Rohre (58a, 58b) vorhanden sind, die je in einer Reihe angeordnet sind.
Heizkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden wärmezuführenden Einrichtungen (52a, 52b) als längliche Körper gestaltet sind, die je mit einer Längsseite an einer Reihe der Rohre (58a, 58b) angekoppelt sind.
Heizkörper nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rohre (58a) an ihren der ersten wärmezuführenden Einrichtung (52a) entgegengesetzten Enden mit einem länglichen Anschlusskörper (59a) fluidleitend gekoppelt sind, während die zweiten Rohre (58b) an ihren der zweiten wärmezuführenden Einrichtung (58b) entgegengesetzten Enden mit einem länglichen Verschlusskörper (59b) verschlossen sind.
Heizkörper nach einemder vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die zweite wärmezuführende Einrichtung (52b) mit einem Strangpressprofil (84) versehen ist, das einen Längsschlitz (88) zum Aufnehmen der PTC-Heizelemente (86) aufweist.
Klimaanlage (10) für ein Fahrzeug (12) mit einem Heizkörper (28) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.