EP1340637B1 - Vorrichtung zum Austausch von Wärme - Google Patents

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EP1340637B1
EP1340637B1 EP03002749A EP03002749A EP1340637B1 EP 1340637 B1 EP1340637 B1 EP 1340637B1 EP 03002749 A EP03002749 A EP 03002749A EP 03002749 A EP03002749 A EP 03002749A EP 1340637 B1 EP1340637 B1 EP 1340637B1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
exchanger structural
exchange device
heat exchange
component
Prior art date
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Revoked
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EP03002749A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1340637A2 (de
EP1340637A3 (de
Inventor
Michel Brun
Christophe Schmittheisler
Pascal Miss
Gregory Lucas
Yannik Laumonnerie
Mathieu Mougey
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Mahle Behr France Rouffach SAS
Original Assignee
Behr France Rouffach SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Application filed by Behr France Rouffach SAS filed Critical Behr France Rouffach SAS
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Publication of EP1340637A3 publication Critical patent/EP1340637A3/de
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    • F24H9/1854—Arrangement or mounting of grates or heating means for air heaters
    • F24H9/1863—Arrangement or mounting of electric heating means
    • F24H9/1872—PTC

Definitions

  • the present invention relates to a device for exchanging heat.
  • the present invention relates to a device for exchanging heat for a motor vehicle
  • a working medium may be, for example, a liquid, a gas or a gas mixture.
  • an electric heater for heating air for use in a motor vehicle consists of electric heating elements and heat conductors past which the air to be heated flows.
  • electric heating elements for example, ceramic heating elements with positive temperature coefficients (PTC heating elements) are used.
  • the heat emitted by the heating elements is dissipated by means of heat conductors, which are designed, for example, in the form of corrugated fins or fins and which are arranged in an air flow to be heated.
  • Object of the present invention is to provide a device for exchanging heat, which is designed so that the device has a simplified construction and that their heating properties can be easily adapted to the particular intended use. Furthermore, this device should permanently ensure good heat exchange under changing thermal and mechanical loads.
  • the device according to the invention for the exchange of heat at least a first heat exchanger assembly, which consists of at least a first and a second and a third component.
  • the components of the first heat exchanger assembly touch each other so that an exchange of thermal and / or electrical energy between the components is made possible.
  • a first connection material is provided which fixes the arrangement of these components of the first heat exchanger assembly to one another and favors the exchange of thermal and / or electrical energy between the components.
  • the device according to the invention is also characterized in that the first bonding material is selected such that at least one temperature affected material property of the first bonding material of the same material property of at least one of the materials used, for at least a portion of the components of the first heat exchanger assembly, in a temperature range between -30 ° and + 170 ° C Essentially corresponds, wherein said at least one temperature-affected material property is selected from a group of material properties comprising thermal expansion coefficient, elasticity, plasticity and stiffness.
  • a particularly preferred embodiment of a first heat exchanger assembly accordingly comprises at least one first component including at least one electrical heating element.
  • This first component is connected to an electrical power source.
  • the electrical heating element of the first component changes its temperature as a function of the electric current flowing through the heating element.
  • heating element in the context of the present invention is to be understood as meaning an element or a group of elements by which electrical energy is converted into heat energy.
  • Such heating elements may be, for example, ceramic heating elements with positive temperature coefficients (PTC heating elements).
  • PTC heating elements positive temperature coefficients
  • other heating elements such as resistance heating elements, plasma heating elements or the like may also be used within the scope of the invention.
  • the first heat exchanger assembly has at least one second component, which is designed, for example, corrugated or lamellar and consists of thermally conductive material. This second component serves to exchange heat with a medium flowing around the heat exchanger assembly.
  • the medium flowing around the first heat exchanger assembly is preferably a gaseous medium or a liquid medium.
  • the medium flowing around the first heat exchanger module is air which is conveyed in a motor vehicle in its vehicle interior in order to temper it.
  • the first heat exchanger assembly also has at least one third component which is arranged between at least one first component of the first heat exchanger assembly and at least one second component of the first heat exchanger assembly.
  • This contact element is designed so that it conducts thermal and / or electrical energy.
  • the third component of the first heat exchanger assembly consists of at least one material with defined thermal and / or electrical conductivities, such as metals or metal alloys or other materials with similar thermal and / or electrical properties.
  • the third component of the first heat exchanger assembly as well as the first and / or the second component of the first heat exchanger assembly touch each other such that between the contacting components of the first heat exchanger assembly, a transition of thermal and / or electrical energy is made possible.
  • a first connection material which fixes the arrangement of the components to each other. In this way, the contact of the components is permanently maintained and there are no unwanted changes in the efficiency of the exchange of thermal and / or electrical energy between the components.
  • the device according to the invention for exchanging heat has at least one second heat exchanger assembly. Similar to the first heat exchanger assembly, the second heat exchanger assembly has at least one second component, which is designed, for example, corrugated or lamellar and consists of thermally conductive material. The second component of the second heat exchanger assembly also serves to exchange heat with the medium flowing around the heat exchanger assembly.
  • the inventive device for exchanging heat is further characterized in that the second heat exchanger assembly comprises a first component which, in contrast to the first component of the first heat exchanger assembly consists of a material of defined electrical and thermal conductivity.
  • the temperature of the first component of the second heat exchanger assembly is substantially independent of an electrical current flowing through this component.
  • the second heat exchanger assembly also has a third component which is between at least a first component of the second heat exchanger assembly and at least a second component of the second heat exchanger assembly is arranged.
  • this contact element is designed so that it conducts thermal and / or electrical energy.
  • the third component of the second heat exchanger assembly is preferably made of a material having defined thermal and / or electrical conductivities, such as metals or metal alloys, or other materials having similar thermal and / or electrical properties.
  • the third component of the second heat exchanger assembly as well as the first and / or the second component of the second heat exchanger assembly touch such that a transition of thermal and / or electrical energy is made possible between the contacting components of the second heat exchanger assembly.
  • a second connecting material which fixes the arrangement of the components to each other. In this way, the contact of the components is permanently maintained and there are no unwanted changes in the efficiency of the exchange of thermal and / or electrical energy between the components.
  • the dimensions of the second heat exchanger assembly at least partially correspond to the dimensions of the first heat exchanger assembly. In a further embodiment of the present invention, the dimensions of the second heat exchanger assembly at least partially correspond to the dimensions of a plurality of abutting first heat exchanger assemblies.
  • Such first and second heat exchanger assemblies having different configurations may be used as standardized modules for manufacturing devices according to the invention Exchange of heat use find. As a result, an adaptation of the heating properties to the respectively required requirements can be carried out in a simple manner.
  • the production of devices for exchanging heat from such standardized modules with first and / or second heat exchanger assemblies thus represents a modular system for such devices.
  • first and / or second heat exchanger assemblies are arranged in any number and sequence of each other for producing a device according to the invention for exchanging heat.
  • at least parts of the components of at least two heat exchanger assemblies touch each other such that a transition of thermal and / or electrical energy is made possible between the contacting heat exchanger assemblies.
  • a third bonding material is provided which fixes the arrangement of the heat exchanger assemblies relative to each other. In this way, the contact of the heat exchanger assemblies is permanently maintained and there are no unwanted changes in the efficiency of the exchange of thermal and / or electrical energy between the heat exchanger assemblies.
  • the composition of the first, second and / or third bonding material is selected such that at least one temperature-dependent material property of the first, second and / or third bonding material such as the coefficient of thermal expansion, elasticity, plasticity, rigidity or the like same material property of at least one of the materials used to produce the first, second and / or third component of the first and / or second heat exchanger assembly at least partially corresponds.
  • This temperature-dependent material property of the first, second and / or third bonding material corresponds to the same material property of at least one of the materials constituting the first, second and / or third components of the first and / or second heat exchanger assembly in the temperature range between -50 ° C and + 300 ° C, preferably in the temperature range between -30 ° C and + 250 ° C, more preferably in the temperature range between -30 ° C and + 170 ° C, at least partially, preferably substantially completely.
  • the composition of the first, second and / or third bonding material is selected to promote the exchange of thermal and / or electrical energy between the components of the heat exchanger assemblies and / or between the heat exchanger assemblies.
  • the composition of the first, second and / or third bonding material is chosen such that there is a change in the surface finish of the surfaces of the components adjacent the bonding material Heat exchanger assemblies inhibits, preferably prevented.
  • the first, second and / or third bonding material prevents a change in the oxidation number of the material of the components of the heat exchanger assemblies adjacent to the bonding material.
  • the first, second and / or third connecting material thus simultaneously represents a corrosion protection which inhibits, preferably prevents, corrosion, in particular oxidation of the surfaces of the components of the heat exchanger assemblies.
  • the first, second and / or third bonding material substantially completely surrounds the components of the heat exchanger assemblies.
  • the first components of the first heat exchanger assembly are arranged so that they have a predetermined distance from each other and from the outer boundaries of the heat exchanger assembly. In a preferred embodiment, the first components of a first heat exchanger assembly are arranged so that they have an offset to the first components of at least one other heat exchanger assembly in order to achieve a better heat distribution over the entire heating block.
  • the first components of the second heat exchanger assembly are standardized functional elements whose physical properties are predefined in such a way that they conduct both electrical current and thermal energy, isolate electrical current and thermal energy, conduct electrical current and insulate thermal energy or isolate electrical power and conduct thermal energy.
  • the device for exchanging heat is characterized in that the heat exchanger assemblies combined so be that a predetermined amount of heat, between the entire apparatus for exchanging heat and the medium flowing around the heat exchanger assemblies medium is interchangeable.
  • the combination of the first heat exchanger assemblies with second heat exchanger assemblies allows the specification of the maximum amount of heat to be delivered to the entire device to the medium flowing around the heat exchanger components.
  • the heat exchange device is characterized in that the heat exchanger assemblies are combined such that the amount of heat which is between a portion of the heat exchange device and the medium flowing around the heat exchanger assemblies, regardless of the amount of heat, which is interchangeable between another portion of the device for exchanging heat and the medium flowing around the heat exchanger assemblies, is definable
  • the second components of the first heat exchanger assembly and / or the second components of the second heat exchanger assembly are cooling fins, which dissipate the heat emitted by the electric heating elements, preferably the PTC heating elements and exchange with the medium flowing around them, for example air.
  • these cooling fins are corrugated fins or corrugated fins made of an electrically and / or thermally conductive material, such as aluminum or a similar material.
  • the physical properties of the first component of the second heat exchanger assembly are defined in a preferred embodiment of the device according to the invention in particular so that a transport of thermal and / or electrical energy is favored.
  • the physical Characteristics of the first component of the second heat exchanger assembly defined so that a transport of thermal and / or electrical energy is inhibited.
  • the first component of the second heat exchanger assembly is accordingly made of a material which has the physical properties described above and which for this reason promotes or inhibits the transport of thermal and / or electrical energy.
  • Such a material may be, for example, a material which conducts electricity and conducts heat, or which is substantially electrically insulating and thermally insulating, or which conducts electricity and is substantially heat-insulating, or substantially electricity-insulating and heat-conductive. Both the heat-insulating effect and the electricity-insulating effect can be different pronounced here. It is also possible to use a material with variable electricity and heat conduction properties, which properties may be affected by exposure to the material.
  • the conduction of an electric current can in this case be effected, for example, by the transport of free charge carriers within the material from which the first component of the second heat exchanger assembly is constructed.
  • a transmission of thermal energy can be carried out, for example, by a transmission of molecular vibrations, in particular Brownian motion, by means of molecular collisions or the like.
  • the propagation of heat energy within the material from which the first component of the second heat exchanger assembly is constructed is analogous to the laws of diffusion of matter by diffusion.
  • a preferred development of the present invention is characterized in that the shape and dimension of the first Component of the second heat exchanger assembly (standardized functional element) is selected such that the flow resistance which the first component of the second heat exchanger assembly opposes the medium flowing around it in a predetermined relationship to the flow resistance, which opposes the first component of the first heat exchanger assembly to the medium flowing around.
  • Shape and dimension of the first component of the second heat exchanger assembly designed so that it opposes the flow around the heat exchanger assembly medium an arbitrarily definable flow resistance.
  • the flow resistance of the entire apparatus for exchanging heat can be adjusted to the conditions required for heat transfer.
  • the latter has a receiving device, which in particular has at least one first and second lateral frame limb.
  • a receiving device which in particular has at least one first and second lateral frame limb.
  • this receiving device preferably between the first and second frame legs at least one heating block is arranged, which is constructed from one or more heat exchanger assemblies.
  • the first and the second frame legs are preferably oriented parallel to the longitudinal axis of the heat exchanger assemblies.
  • the receiving device has upper and / or lower frame legs, which are arranged at the upper and / or lower longitudinal ends of the heat exchanger assemblies.
  • at least parts of the heat exchanger assemblies preferably a central region of the heat exchanger assemblies, are disposed substantially within the surface defined by the frame legs.
  • the frame leg is to be understood as meaning an element or a group of elements which forms an outer end of an element received or arranged between a plurality of frame legs and which extends substantially in the plane of the heat exchanger subassemblies.
  • the device for exchanging heat is characterized in that the lateral frame legs are connected by an upper and / or lower frame leg, so that they are held at a predetermined distance from each other.
  • the upper and / or lower frame legs are formed as end caps.
  • an end cap in the sense of the present invention is to be understood as meaning an element or a group of elements which forms a predetermined end of the heat exchanger assembly or of the heating block at least in an extension direction.
  • an end cap is preferably designed so that the heating block engages in the end cap, preferably engages at least partially positively, or that the end cap surrounds the heating block or parts of the heating block
  • the frame legs are made of an electrically non-conductive material, preferably plastic, such as PVC (polyvinyl chloride), PE (polyethylene), PP (polypropylene), silicones and silicone derivatives, TPE (thermoplastic elastomers), epoxy resins, thermosets, Teflon or the like ,
  • the frame legs consist of a combination of an electrically conductive material, such as a metal and a plastic.
  • the metal used is preferably aluminum and aluminum alloys, titanium and titanium alloys, iron and iron alloys, zinc and zinc alloys or the like.
  • the frame legs of the receiving device in a particularly preferred embodiment of the device according to the invention on a hollow profile-shaped or profile-shaped cross section, preferably a U-shaped, an I-shaped, an L-shaped, a T-shaped, a V-shaped cross-section or the like.
  • the device for exchanging heat is characterized in a further embodiment in that at least one of the heat exchanger assemblies is connected to at least one frame leg.
  • this connection is fixed by a plug connection, a screw connection, an adhesive connection, a welded connection and / or the like.
  • the device for exchanging heat is further characterized in that it comprises an element which engages at least between two components of a heat exchanger assembly to counteract delocalization of the heat exchanger assemblies or the components of the heat exchanger assemblies.
  • This element may for example be a defined spacer, which is arranged between two heat exchanger assemblies or between two components and consists of a non-conductive material, so that an electrically conductive connection between the two heat exchanger assemblies or the components is prevented.
  • the device for exchanging heat is characterized in that the receiving device has a recess or passage in which at least one component, in particular the contact plate of the first and / or second heat exchanger assembly, engages.
  • At least one component of the receiving device of a device for exchanging heat can be connected in a further embodiment to a housing part of an air conditioning system.
  • a component of the receiving device may be integrally formed with the housing part of an air conditioning system or integrated in the housing part.
  • At least one component of the receiving device may have an electrical connection to connect the receiving device, which in turn may be in electrically conductive contact with the heat exchanger assemblies with the contacts of an electrical power supply.
  • the electrical conductivity of the first component of the second heat exchanger assembly (standardized functional element) is chosen so that an electrical current can flow through the component, then several electric heating elements can be supplied with power.
  • electrically conductive and electrically non-conductive standardized functional elements By a combination of electrically conductive and electrically non-conductive standardized functional elements, a voltage supply of the electric heating elements in an arbitrarily definable electrical circuit arrangement is possible.
  • the first components of the first heat exchanger assemblies of the device for exchanging heat are also connected directly and / or indirectly to at least one current source in an electrically conductive manner.
  • An indirect electrically conductive connection is in this case preferably produced by contact of the PTC heating elements with the contact elements.
  • Another indirect electrically conductive connection can be made by including the corrugated fins in the circuit.
  • the electrical connection of the PTC heating elements with the power source then takes place, for example, via one or more contact elements and one or more corrugated fins. In this way, multiple PTC heating elements can be connected in parallel or in series.
  • the heating elements are connected on the one hand to the positive pole of a power source indirectly via one of the contact elements and also indirectly via another contact element with the receiving device, within which the heat exchanger assemblies are arranged and which preferably made of an electrically conductive material such as Aluminum is made.
  • the receiving device is in this case connected to the negative pole of the electrical power source.
  • the device is used to exchange heat in an air conditioning system of a motor vehicle to allow heating of the interior air of the motor vehicle.
  • air is heated by the device according to the invention, which is introduced into the interior of the vehicle.
  • the air conditioner further preferably has a compressor, condenser dryer / collector, expansion valve and an evaporator.
  • the device may preferably be introduced into the flow channel of the ventilation system of an air conditioning system, wherein in addition to a single-flow channel, in particular multi-flow flow channels are suitable for use in the device.
  • the different air streams of the multi-flow flow channel can be heated in different and independent ways.
  • An apparatus according to the invention for exchanging heat can be used for heating air conducted into the interior of a motor vehicle.
  • the device can in this case be used in addition to the heat exchangers commonly used in a motor vehicle and is preferably as long as in operation until the available from the heating and cooling circuit of a motor vehicle heat of the engine sufficient to sufficient heating of the guided into the vehicle interior air to reach.
  • a further embodiment of the device according to the invention is used in motor vehicles with low fuel consumption, the heat of combustion of the engine is so low that not enough heat energy for sufficient heating of the interior is present.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a device for exchanging heat according to the prior art.
  • This has a heating block 1, which consists of several juxtaposed heat exchanger assemblies 2.
  • the heat exchanger assembly 2 has as a first component electrical heating elements, preferably strip-shaped PTC heating elements 3a, 3b
  • the heat exchanger assembly 2 has a contact plate 5, which is arranged between the PTC heating elements 3a, 3b and the corrugated fin 4 and which with the PTC heating element and the corrugated rib is electrically and thermally conductively connected.
  • the rectangular heating block 1 is arranged in a rectangular frame 6 with four frame legs 6a, 6b, 6c, 6d and is clamped by a spring 7 in this frame.
  • the PTC heating elements are connected to a voltage source 8, the circuit being closed via a contact plate 5, a corrugated fin 4 and at least one frame element 6c.
  • a contact plate 5 a corrugated fin 4 and at least one frame element 6c.
  • two heat exchanger assemblies are electrically connected in parallel.
  • FIG. 3 illustrates a preferred embodiment according to the present invention.
  • the rectangular heating block 11 is held in a rectangular frame 16 with four frame legs 16a, 16b, 16c, 16d.
  • the frame leg has a substantially U-shaped cross-section.
  • a first heat exchanger assembly 12a which PTC heating elements 13a, contact plates 15a, 15b and a corrugated fin 14a has.
  • the PTC heating elements 13a are connected to a current source 18a.
  • the heating block 11 also has a second heat exchanger assembly 12b. It has, in addition to the contact plates 15c, 15d, the corrugated fin 14b, a first component 13b which, unlike the first component 13a of the first heat exchanger base group, has no heating element.
  • This first component 13b of the second heat exchanger assembly is not substantially affected by an electrical current flowing through the component and does not constitute an electrical heating element but is a standard functional element, for example to maintain a predetermined distance between the contact sheets 15c, 15d and a defined transition from To ensure energy between the contact plates 15c, 15d.
  • this first component of the second heat exchanger assembly 13b has a defined electrical and thermal conductivity.
  • Fig. 2 Energy is dissipated not only by the directly connected to the PTC heating element 13a corrugated fin 14a energy to the air flowing through, but also over the with the standardized Functional elements 13b thermally and electrically coupled corrugated fins.
  • the fixation of the heat exchanger assemblies and their components is performed by a first, second and third bonding material, which partially 30a, 50a or full surface 30b, 30c, 50b, 50c on the surfaces of the components and / or heat exchanger assemblies, and more preferably between the components and / or heat exchanger assemblies is arranged.
  • Fig. 3 shows a schematic detail of a first heat exchanger assembly with PTC heating element 32nd
  • the PTC heater 32 is disposed between two contact sheets 35b and 35c.
  • a first connecting material 30a, 30b, 30c is provided, which fixes the arrangement of the components of the first heat exchanger assembly to each other.
  • the corrugated fins 34a, 34b are arranged, which are fixed with the first connecting material to the contact plates 35b, 35c.
  • Two further contact plates 35a, 35d which are likewise connected to the cooling fins via the first connecting material adjoin the two cooling fins 34a, 34b.
  • connection of the individual components of the first heat exchanger assembly is designed so that the exchange of thermal and electrical energy between the individual components is favored.
  • the term connecting material is to be understood as meaning a material which, due to its physical and / or chemical properties, enables the firm connection between different components or assemblies and whose temperature-dependent material properties of at least one material property of the material used materials at least partially corresponds.
  • the temperature range in which the material properties are substantially equal between - 50 ° C and + 300 ° C, preferably between -30 ° C and + 250 ° C and more preferably between -30 ° C and + 170 ° C.
  • the first joining material 30a may be arranged such that only in the areas in which the components touch, the joining material is provided.
  • the bonding material 30b, 30c may also be applied over the entire surfaces of the components in order to fix the various components to one another and additionally to cover the surfaces provided with bonding material.
  • the bonding material in the contact areas for fixing the components and additionally in the contact areas and on the surfaces serves as protection of the components against external influences, which could, for example, lead to corrosion of the surfaces or of the entire component.
  • Fig. 4a shows a sectional view of the first heat exchanger assembly along the section line A, wherein in addition to the individual components of the heat exchanger assembly and the connecting material is shown.
  • the PTC heating element 42 contacts the two contact sheets 45c, 45b and is connected to the contact sheets by the bonding material 40b.
  • the contact sheets 45b, 45c are further connected to the corrugated fins 44a, 44b by the bonding material 40a, 40c.
  • the heat exchanger assembly is completed by two further contact plates 45a, 45d on both sides. These are also connected to the cooling fins 44a, 44b by the connecting material 40a, 40c.
  • the connecting material is disposed substantially on the surfaces of the individual components and does not fill the free space between the two contact plates 45b, 45c.
  • FIG. 4b Another particularly preferred embodiment of a first heat exchanger assembly is shown in which the area between the contact sheets 45b, 45c, which is not occupied by the PTC heating element 42, is filled by the bonding material 40d.
  • the connecting material fills in a particularly preferred embodiment, the cavity between the individual components to thereby make the outer shape of the heat exchanger assembly, in particular with respect to the flow resistance adaptable to the respective requirements
  • Fig. 5 shows a second heat exchanger assembly without heating element, which has a standardized functional element (first component of the second heat exchanger assembly) 52.
  • This standardized functional element 52 is connected to the two contact plates 55b, 55c by means of a first connecting material 50b.
  • the corrugated fins 54a, 54b follow the contact plates 55b, 55c and are also fixed by a second connection material 50a, 50c with respect to the contact plates.
  • the heat exchanger assembly is terminated by two contact sheets 55a, 55d on both sides. These are connected to the cooling fins 54a, 54b according to the present embodiment with a second bonding material 50c.
  • Fig. 5 on the left side of the heat exchanger assembly, a connection method in which the bonding material 50c has been fully applied to the components.
  • the use of the bonding material 50a is limited to the area of the contact points between the contact sheets 55a, 55b and the corrugated fin 54a.
  • Fig. 6 shows an embodiment of a device for exchanging heat, in which the receiving device 67a has a member 66b, which engages between the two components 65a, 65b of the first heat exchanger assembly.
  • the protrusion 66a forms a lateral end segment of the end cap 67a and protects the heat exchanger assembly or block, inter alia, against mechanical stresses.
  • the heating block according to Fig. 6 further comprises heating elements 62a, 62c, standardized functional elements 62b, cooling fins 64a, 64b and contact plates 65a, 65b, 65c.
  • the receiving device 67a, 67b is arranged at the top and bottom of the heating block, wherein the receiving device comprises two elements 67a and 67b as upper and lower end cap.
  • the heat exchanger assemblies are connected to the voltage sources 63a and 63b.
  • the receiving device 77a has projections.
  • the projection 76b engages between the two contact plates 75a, 75b and is fixed by a connecting material 70c to the contact plates 75a, 75b.
  • the bonding material which is applied in excess, forms a positive connection between the individual components of the heat exchanger assemblies and moreover connects the contact plates 75a, 75b with the end cap 77a.
  • the projection 76a is not connected to the contact plate 75c by a connecting material according to the embodiment shown here.
  • a connecting material is provided between the projection 76a and the contact plate 75c.
  • FIG. 7b another embodiment of a device for exchanging heat with a receiving device is shown, which has no projection.
  • This receiving device is also designed in this embodiment as an end cap, so that the heating block is fixed on its top or bottom.
  • the end caps are adapted to the given dimensions such as the dimensions of a flow channel.
  • the Fig. 7b shows, in addition to the receiving device 77a, the heating element 72a, the cooling ribs 74a, 74b, the standardized functional element 72b, the contact plates 75a, 75b, 75c and the areas with connecting material 70a, 70b, 70c.
  • the end cap 77a is not connected by a connecting material with the heating block but stands with this only in an at least partially positive connection.
  • FIG 8 shows various modules according to the present invention, which have at least two components and which are suitable for the production of heating blocks, each with different requirements for the heating properties.
  • Fig. 8a shows a particularly preferred embodiment of a first heat exchanger assembly, which consists of two PTC heating elements 82a, a contact plate 85a and a cooling fin 84a.
  • Fig. 8b shows a particularly preferred embodiment, which has two contact plates 85a, 85b on both sides of the cooling rib 84a in addition to a cooling rib 84a.
  • Fig. 8c shows a heat exchanger assembly consisting of a cooling rib 84a and a contact plate 85a.
  • Fig. 8d shows a particularly preferred embodiment of a second heat exchanger assembly, which in addition to a standardized functional element 82b, a contact plate 85a and a cooling rib 84a.
  • Fig. 8e a combination of a plurality of cooling fins 84a and contact plates 85a, 85b, 85c is shown.
  • the two cooling fins 84a are arranged on both sides of a contact plate 85b and are laterally closed by two cooling plates 85a, 85c.
  • connection and fixation of in Fig. 8 shown modules to a heating block is carried out by a first, second and / or third bonding material that is either present only in the contact area of the modules or the surface of the components completely surrounds.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme für ein Kraftfahrzeug
  • Vorrichtungen zum Austausch von Wärme finden heute verbreitet Anwendung, beispielsweise in Kraftfahrzeugen,Raumklimatisierungssystemen und dergleichen, um einem Arbeitsmedium Wärme zuzuführen oder sie diesem zu entziehen. Ein solches Arbeitsmedium kann beispielsweise eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Gasgemisch sein.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer elektrischen Heizvorrichtung zum Beheizen des Innenraumes eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für andere Anwendungszwecke geeignet ist.
  • Typischerweise besteht eine elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Luft für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug aus elektrischen Heizelementen und Wärmeleitern, an welchen die-zu erwärmende Luft vorbeiströmt. Als elektrische Heizelemente werden beispielsweise keramische Heizelemente mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Heizelemente) verwendet.
  • Die von den Heizelementen abgegebene Wärme wird mittels Wärmeleitern, welche beispielweise in der Form von Wellrippen oder Lamellen ausgeführt sind und welche in einem zu erwärmenden Luftstrom angeordnet sind, abgeführt.
  • Es ist bekannt, mehrere solcher Heizelemente und Wärmeleiter zu einem Heizblock zusammenzusetzen, wobei die Heizelemente und die Wärmeleiter durch eine auf sie wirkende Kraft, welche üblicherweise durch eine Feder erzeugt wird, aneinander gedrückt werden. Die durch diese Feder erzeugte mechanische Spannung dient weiterhin dazu, den Heizblock in einer Aufnahmeeinrichtung so zu verspannen, dass der Heizblock innerhalb der Aufnahmeeinrichtung gehalten wird
  • Weiter ist zum Beispiel aus der EP 0 350 528 A1 eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme bekannt, auf welcher der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme, die so gestaltet ist, dass die Vorrichtung eine vereinfachte Konstruktion aufweist und dass ihre Heizeigenschaften in einfacher Weise dem jeweils vorgegebenen Verwendungszweck angepasst werden können. Ferner soll diese Vorrichtung unter wechselnden thermischen und mechanischen Belastungen dauerhaft einen guten Wärmeaustausch gewährleisten.
  • Gemäß Anspruch 1 weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme wenigstens eine erste Wärmetauscherbaugruppe auf, welche aus wenigstens einer ersten sowie einer zweiten und einer dritten Komponente besteht. Die Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe berühren sich dabei so, dass ein Austausch von thermischer und/oder elektrischer Energie zwischen den Komponenten ermöglicht wird. Weiter ist zumindest in den Bereichen, in denen sich wenigstens zwei Komponenten der ersten Wärmetaucherbaugruppe einander annähern oder berühren ein erstes Verbindungsmaterial vorgesehen, welches die Anordnung dieser Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe zueinander fixiert und den Austausch von thermischer und/oder elektrischer Energie zwischen den Komponenten begünstigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zudem
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste Verbindungsmaterial so gewählt ist, dass wenigstens eine von der Temperatur beeinflusste Materialeigenschaft des ersten Verbindungsmaterials der gleichen Materialeigenschaft wenigstens eines der verwendeten Materialien, für zumindest einen Teil der Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe, in einem Temperaturbereich zwischen - 30° und + 170° C im Wesentlichen entspricht,
    wobei diese wenigstens eine von der Temperatur beeinflusste Materialeigenschaft aus einer Gruppe von Materialeigenschaften ausgewählt ist, die Temperaturausdehnungskoeffizient, Elastizität, Plastizität und Steifigkeit umfasst.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austausch von Wärme sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer ersten Wärmetauscherbaugruppe weist demgemäß wenigstens eine erste Komponente auf, die wenigstens ein elektrisches Heizelement beinhaltet. Diese erste Komponente ist mit einer elektrischen Stromquelle verbunden. Das elektrische Heizelement der ersten Komponente ändert dabei in Abhängigkeit des das Heizelement durchfließenden elektrischen Stromes seine Temperatur.
  • Unter dem Begriff Heizelement im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Element oder eine Gruppe von Elementen zu verstehen, durch welche elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Derartige Heizelemente können beispielsweise keramische Heizelemente mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Heizelemente) sein. Im Rahmen der Erfindung können jedoch auch andere Heizelemente, wie zum Beispiel WiderstandsHeizelemente, Plasma-Heizelemente oder dergleichen Verwendung finden.
  • Des weiteren weist die erste Wärmetauscherbaugruppe wenigstens eine zweite Komponente auf, die beispielsweise Wellrippenförmig oder Lamellenförmig ausgeführt ist und aus thermisch leitendem Material besteht. Diese zweite Komponente dient dabei dem Austausch von Wärme mit einem die Wärmetauscherbaugruppe umströmendem Medium.
  • Das die erste Wärmetauscherbaugruppe umströmende Medium ist vorzugsweise ein gasförmiges Medium oder ein flüssiges Medium. Besonders bevorzugt ist das die erste Wärmetauscherbaugruppe umströmende Medium Luft, welche in einem Kraftfahrzeug in dessen Fahrzeuginnenraum gefördert wird, um diesen zu temperieren.
  • Die erste Wärmetauscherbaugruppe weist überdies wenigstens eine dritte Komponente auf, welche zwischen wenigstens einer ersten Komponente der ersten Wärmetauscherbaugruppe sowie wenigstens einer zweiten Komponente der ersten Wärmetauscherbaugruppe angeordnet ist. Dieses Kontaktelement ist so ausgeführt, dass es thermische und/oder elektrische Energie leitet. Vorzugsweise besteht die dritte Komponente der ersten Wärmetauscherbaugruppe aus wenigstens einem Material mit definierten thermischen und/oder elektrischen Leitfähigkeiten, wie beispielsweise Metallen oder Metall-Legierungen oder anderen Materialien mit ähnlichen thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften.
  • Die dritte Komponente der ersten Wärmetauscherbaugruppe sowie die erste und/oder die zweite Komponente der ersten Wärmetauscherbaugruppe berühren sich derart, dass zwischen den sich berührenden Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe ein Übergang von thermischer und/oder elektrischer Energie ermöglicht wird.
  • Erfindungsgemäß ist zumindest in einem Teil der Bereiche, in denen sich die Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe berühren ein erstes Verbindungsmaterial vorgesehen, welches die Anordnung der Komponenten zueinander fixiert. Auf diese Weise wird die Berührung der Komponenten dauerhaft aufrecht erhalten und es treten keine ungewollten Veränderungen der Effizienz beim Austausch von thermischer und/oder elektrischer Energie zwischen den Komponenten auf.
  • In einer weitern bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme wenigstens eine zweite Wärmetauscherbaugruppe auf. Ähnlich wie die erste Wärmetauscherbaugruppe weist die zweite Wärmetauscherbaugruppe wenigstens eine zweite Komponente auf, die beispielsweise Wellrippenförmig oder Lamellenförmig ausgeführt ist und aus thermisch leitendem Material besteht. Die zweite Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe dient dabei ebenfalls dem Austausch von Wärme mit dem die Wärmetauscherbaugruppe umströmendem Medium.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme ist ferner dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmetauscherbaugruppe eine erste Komponente aufweist, welche im Gegensatz zur ersten Komponente der ersten Wärmetauscherbaugruppe aus einem Material definierter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit besteht. Die Temperatur der ersten Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe ist hierbei im wesentlichen unabhängig von einem durch diese Komponente fließenden elektrischen Strom.
  • Überdies weist die zweite Wärmetauscherbaugruppe ebenfalls eine dritte Komponente auf, welche zwischen wenigstens einer ersten Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe sowie wenigstens einer zweiten Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe angeordnet ist. Vorzugsweise ist dieses Kontaktelement so ausgeführt, dass es thermische und/oder elektrische Energie leitet.
  • Die dritte Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe besteht vorzugsweise aus einem Material mit definierten thermischen und/oder elektrischen Leitfähigkeiten, wie beispielsweise Metallen oder Metall-Legierungen oder anderen Materialien mit ähnlichen thermischen und/oder elektrischen Eigenschaften.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung berühren sich die dritte Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe sowie die erste und/oder die zweite Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe derart, dass zwischen den sich berührenden Komponenten der zweiten Wärmetauscherbaugruppe ein Übergang von thermischer und/oder elektrischer Energie ermöglicht wird.
  • Erfindungsgemäß ist zumindest in einem Teil der Bereiche, in denen sich die Komponenten der zweiten Wärmetauscherbaugruppe berühren ein zweites Verbindungsmaterial vorgesehen, welches die Anordnung der Komponenten zueinander fixiert. Auf diese Weise wird die Berührung der Komponenten dauerhaft aufrecht erhalten und es treten keine ungewollten Veränderungen der Effizienz beim Austausch von thermischer und/oder elektrischer Energie zwischen den Komponenten auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechen die Abmessungen der zweiten Wärmetauscherbaugruppe zumindest teilweise den Abmessungen der ersten Wärmetauscherbaugruppe. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entsprechen die Abmessungen der zweiten Wärmetauscherbaugruppe zumindest teilweise den Abmessungen mehrerer aneinander anliegender erster Wärmetauscherbaugruppen.
  • Derartige erste und zweite Wärmetauscherbaugruppen mit unterschiedlichen Konfigurationen können als standardisierte Module zur Herstellung von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum Austausch von Wärme Verwendung finden. Dadurch kann auf einfache Weise eine Anpassung der Heizeigenschaften auf die jeweils benötigten Anforderungen erfolgen. Die Herstellung von Vorrichtungen zum Austausch von Wärme aus derartigen standardisierten Modulen mit ersten und/oder zweiten Wärmetauscherbaugruppen stellt somit ein Baukastensystem für solche Vorrichtungen dar.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austausch von Wärme erste und/oder zweite Wärmetauscherbaugruppen in beliebiger Stückzahl und Reihenfolge aneinander angeordnet. Dabei berühren sich zumindest Teile der Komponenten wenigstens zweier Wärmetauscherbaugruppen derart, dass zwischen den sich berührenden Wärmetauscherbaugruppen ein Übergang von thermischer und/oder elektrischer Energie ermöglicht wird.
  • Erfindungsgemäß ist zumindest in einem Teil der Bereiche, in denen sich die Komponenten zweier Wärmetauscherbaugruppen berühren ein drittes Verbindungsmaterial vorgesehen, welches die Anordnung der Wärmetauscherbaugruppen zueinander fixiert. Auf diese Weise wird die Berührung der Wärmetauscherbaugruppen dauerhaft aufrecht erhalten und es treten keine ungewollten Veränderungen der Effizienz beim Austausch von thermischer und/oder elektrischer Energie zwischen den Wärmetauscherbaugruppen auf.
  • Die Zusammensetzung des ersten, zweiten und/oder dritten Verbindungsmaterials ist so gewählt, dass wenigstens eine von der Temperatur abhängige Materialeigenschaft des ersten, zweiten und/oder dritten Verbindungsmaterials, wie beispielsweise der Temperaturausdehnungskoeffizient, die Elastizität, die Plastizität, die Steifigkeit oder dergleichen, der gleichen Materialeigenschaft wenigstens eines der zur Herstellung der ersten, zweiten und/oder dritten Komponente verwendeten Materialien der ersten und/oder zweiten Wärmetauscherbaugruppe zumindest teilweise entspricht.
  • Diese von der Temperatur abhängige Materialeigenschaft des ersten, zweiten und/oder dritten Verbindungsmaterials entspricht der gleichen Materialeigenschaft wenigstens eines der Materialien, aus dem die erste, zweite und/oder dritte Komponente der ersten und/oder zweiten Wärmetauscherbaugruppe bestehen im Temperaturbereich zwischen -50°C und +300°C, bevorzugt im Temperaturbereich zwischen -30°C und +250°C, besonders bevorzugt im Temperaturbereich zwischen -30°C und +170°C, zumindest teilweise, vorzugsweise im wesentlichen vollständig.
  • Auf diese Weise wird vermieden, dass beispielsweise durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten der für die Komponenten der Wärmetauscherbaugruppen verwendeten Materialien sowie des ersten, zweiten und/oder dritten Verbindungsmaterials eine Rissbildung bei den Verbindungsmaterialien oder bei den Komponenten der Wärmetauscherbaugruppen auftritt. Eine derartige Rissbildung könnte einerseits die Stabilität der Komponenten der Wärmetauscherbaugruppen zueinander sowie die Stabilität der Wärmetauscherbaugruppen zueinander und die Stabilität der gesamten Vorrichtung zum Austausch von Wärme beeinträchtigen. Neben der Stabilität könnte dadurch außerdem ebenfalls die Effizienz des Wärme und/oder Elektrizitätsaustausches zwischen den Komponenten der, Wärmetauscherbaugruppen bzw. zwischen den Wärmetauscherbaugruppen beeinträchtigt werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung ist die Zusammensetzung des ersten, zweiten und/oder dritten Verbindungsmaterials so gewählt, dass es den Austausch von thermischer und/oder elektrischer Energie zwischen den Komponenten der Wärmetauscherbaugruppen und/oder zwischen den Wärmetauscherbaugruppen begünstigt.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Zusammensetzung des ersten, zweiten und/oder dritten Verbindungsmaterials so gewählt, dass es eine Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit der an das Verbindungsmaterial angrenzenden Oberflächen der Komponenten der Wärmetauscherbaugruppen hemmt, vorzugsweise verhindert. Insbesondere verhindert das erste, zweite und/oder dritte Verbindungsmaterial eine Veränderung der Oxidationszahl der an das Verbindungsmaterial angrenzende Material der Komponenten der Wärmetauscherbaugruppen. Das erste, zweite und/oder dritte Verbindungsmaterial stellt somit gleichzeitig einen Korrosionsschutz dar, der eine Korrosion, insbesondere eine Oxidation der Oberflächen der Komponenten der Wärmetauscherbaugruppen hemmt, vorzugsweise verhindert.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umgibt das erste, zweite und/oder dritte Verbindungsmaterial die Komponenten der Wärmetauscherbaugruppen im wesentlichen vollständig.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die ersten Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe so angeordnet, dass sie einen vorgegebenen Abstand voneinander und von den äußeren Begrenzungen der Wärmetauscherbaugruppe aufweisen. In einer bevorzugten Weiterbildung sind die ersten Komponenten einer ersten Wärmetauscherbaugruppe so angeordnet, dass sie einen Versatz zu den ersten Komponenten zumindest einer weiteren Wärmetauscherbaugruppe aufweisen, um eine bessere Wärmeverteilung über den gesamten Heizblock zu erreichen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die ersten Komponenten der zweiten Wärmetauscherbaugruppe standardisierte Funktionselemente, deren physikalische Eigenschaften in der Art vordefiniert sind, dass diese sowohl elektrischen Strom und thermische Energie leiten, elektrischen Strom und thermische Energie isolieren, elektrischen Strom leiten und thermische Energie isolieren oder elektrischen Strom isolieren und thermische Energie leiten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung zum Austausch von Wärme dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherbaugruppen so kombiniert werden, dass eine vorgegebene Wärmemenge, zwischen der gesamten Vorrichtung zum Austausch von Wärme und dem die Wärmetauscherbaugruppen umströmenden Medium austauschbar ist.
  • Insbesondere die Kombination vonersten Wärmetauscherbaugruppen mit zweiten Wärmetauscherbaugruppen ermöglicht die Vorgabe der maximal abzugebende Wärmemenge der gesamten Vorrichtung an das die Wärmetauscherkomponenten umströmende Medium.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung zum Austausch von Wärme dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherbaugruppen so kombiniert werden, dass die Wärmemenge, welche zwischen einem Teilbereich der Vorrichtung zum Austausch von Wärme und dem die Wärmetauscherbaugruppen umströmenden Medium, unabhängig von der Wärmemenge, welche zwischen einem anderen Teilbereich der Vorrichtung zum Austausch von Wärme und dem die Wärmetauscherbaugruppen umströmenden Medium austauschbar ist, definierbar ist
  • Vorzugsweise sind die zweiten Komponenten der ersten Wärmetäuscherbaugruppe und/oder die zweiten Komponenten der zweiten Wärmetauscherbaugruppe Kühlrippen, welche die von den elektrischen Heizelementen, vorzugsweise den PTC-Heizelementen abgegebene Wärme abführen und mit dem sie umströmenden Medium, beispielsweise Luft, austauschen. Vorzugsweise sind diese Kühlrippen wellenförmige Kühlrippen oder Wellrippen, die aus einem elektrisch und/oder thermisch leitenden Material, wie zum Beispiel Aluminium oder einem ähnlichen Material, hergestellt werden.
  • Die physikalischen Eigenschaften der ersten Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe sind bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung insbesondere so definiert, dass ein Transport von thermischer und/oder elektrischer Energie begünstigt wird.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die physikalischen Eigenschaften der ersten Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe so definiert, dass ein Transport von thermischer und/oder elektrischer Energie gehemmt wird.
  • Die erste Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe besteht demgemäß aus einem Material, welches die zuvor beschriebenen physikalischen Eigenschaften aufweist und welches aus diesem Grund den Transport von thermischer und/oder elektrischer Energie begünstigt oder hemmt.
  • Solch ein Material kann zum Beispiel ein Material sein, welches elektrizitätsleitend und wärmeleitend ist oder welches im wesentlichen elektrizitätsisolierend und wärmeisolierend ist oder welches elektrizitätsleitend und im wesentlichen wärmeisolierend ist oder im wesentlichen elektrizitätsisolierend und wärmeleitend ist. Sowohl die wärmeisolierende Wirkung als auch die elektrizitätsisolierende Wirkung kann hierbei unerschiedlich stark ausgeprägt sein. Es besteht außerdem die Möglichkeit ein Material mit veränderlichen Elektrizitäts- und Wärmeleitungseigenschaften zu verwenden wobei diese Eigenschaften durch eine Einwirkung auf das Material beeinflusst werden können.
  • Die Leitung eines elektrischen Stromes kann hierbei beispielsweise durch den Transport freier Ladungsträger innerhalb des Materials, aus welchem die erste Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe aufgebaut ist, erfolgen.
  • Eine Weiterleitung von thermischer Energie kann zum Beispiel durch eine Übertragung von Molekularschwingungen, insbesondere Brownsche Bewegung, mittels Molekularstößen oder dergleichen erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Ausbreitung von Wärmeenergie innerhalb des Materials, aus welchem die erste Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe aufgebaut ist analog zu den Gesetzmäßigkeiten der Ausbreitung von Materie durch Diffusion.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Form und Abmessung der ersten Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe (standardisiertes Funktionselement) so gewählt ist, dass der Strömungswiderstand welchen die erste Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe dem sie umströmenden Medium entgegensetzt in einem vorbestimmten Verhältnis zu dem Strömungswiderstand steht, den die erste Komponente der ersten Wärmetauscherbaugruppe dem sie umströmenden Medium entgegensetzt.
  • In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die. Form und Abmessung der ersten Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe so ausgeführt, dass sie dem die Wärmetauscherbäugruppe umströmenden Medium einen beliebig definierbaren Strömungswiderstand entgegensetzt.
  • Durch eine Veränderung der Abmessungen und der Form der ersten Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe kann der Strömungswiderstand der gesamten Vorrichtung zum Austausch von Wärme an die für die Wärmeübertragung erforderlichen Bedingungen angepasst werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Austausch von Wärme weist diese eine Aufnahmeeinrichtung auf, welche insbesondere wenigstens einen ersten und zweiten seitlichen Rahmenschenkel aufweist. Innerhalb dieser Aufnahmeeinrichtung, vorzugsweise zwischen dem ersten und zweiten Rahmenschenkel ist wenigstens ein Heizblock angeordnet, der aus einer oder mehreren Wärmetauscherbaugruppen aufgebaut ist. Der erste und der zweite Rahmenschenkel sind dabei vorzugsweise parallel zur Längsachse der Wärmetauscherbaugruppen orientiert.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist die Aufnahmeeinrichtung obere und/oder untere Rahmenschenkel auf, welche an den oberen und/oder unteren längsseitigen Enden der Wärmetauscherbaugruppen angeordnet sind. Vorzugsweise sind zumindest Teile der Wärmetauscherbaugruppen, vorzugsweise ein Mittenbereich der Wärmetauscherbaugruppen, im wesentlichen innerhalb der von den Rahmenschenkeln aufgespannten Fläche angeordnet.
  • Als Rahmenschenkel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Element oder eine Gruppe von Elementen zu verstehen, welches einen äußeren Abschluss eines zwischen mehreren Rahmenschenkeln aufgenommenen oder angeordneten Elements bildet und welches sich im wesentlichen in der Ebene der Wärmetauscherbaugruppen erstreckt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Austausch von Wärme dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Rahmenschenkel durch einen oberen und/oder unteren Rahmenschenkel verbunden sind, so dass sie in einem vorgegebenen Abstand zueinander gehalten werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform sind die oberen und/oder unteren Rahmenschenkel als Endkappen ausgebildet.
  • Als Endkappe im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Element oder eine Gruppe von Elementen zu verstehen, welches einen vorbestimmten Abschluss der Wärmetauscherbaugruppe oder des Heizblocks wenigstens in eine Erstreckungsrichtung bildet. Im Sinne der Erfindung ist eine Endkappe bevorzugt so gestaltet, dass der Heizblock in die Endkappe eingreift, vorzugsweise zumindest teilweise formschlüssig eingreift, bzw. dass die Endkappe den Heizblock oder Teile des Heizblockes umgreift
  • Vorzugsweise bestehen die Rahmenschenkel aus einem elektrischen, nicht leitenden Material, vorzugsweise Kunststoff, wie zum Beispiel PVC (Polyvinylchlorid), PE (Polyethylen), PP (Polypropylen), Silikone und Silikonderivate, TPE (Thermoplastische Elastomere), Epoxydharze, Duroplaste, Teflon oder dergleichen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen die Rahmenschenkel aus einer Kombination eines elektrisch leitenden Materials, wie zum Beispiel einem Metall und einem Kunststoff. Als Metall findet dabei vorzugsweise Aluminium und Aluminiumlegierungen, Titan und Titanlegierungen, Eisen und Eisenlegierungen, Zink und Zinklegierungen oder dergleichen Verwendung.
  • Die Rahmenschenkel der Aufnahmeeinrichtung weisen in einer besonder bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen hohlprofilförmigen oder formprofilförmigen Querschnitt auf, vorzugsweise einen U-förmigen, einen I-förmigen, einen L-förmigen, einen T-förmigen, einen V-förmigen Querschnitt oder dergleichen auf.
  • Die Vorrichtung zum Austausch von Wärme ist in einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Wärmetauscherbaugruppen mit wenigstens einem Rahmenschenkel verbunden ist. Vorzugsweise wird diese Verbindung durch eine Steckverbindung, eine Schraubverbindung, eine Klebeverbindung, eine Schweißverbindung und/oder dergleichen fixiert.
  • Die Aufnahmeeinrichtung für die Vorrichtung zum Austausch von Wärme ist in einer bevorzugten Ausführungsform weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Element aufweist, das wenigstens zwischen zwei Komponenten einer Wärmetauscherbaugruppe eingreift um einer Delokalisierung der Wärmetauscherbaugruppen oder der Komponenten der Wärmetauscherbaugruppen entgegenzuwirken. Dieses Element kann beispielsweise ein definierter Abstandshalter sein, der zwischen zwei Wärmetauscherbaugruppen oder zwischen zwei Komponenten angeordnet ist und aus einem nicht leitenden Material besteht, so dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Wärmetauscherbaugruppen oder den Komponenten verhindert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Austausch von Wärme dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeeinrichtung eine Ausnehmung oder Durchführung aufweist, in welche wenigstens eine Komponente, insbesondere das Kontaktblech der ersten und/oder zweiten Wärmetauscherbaugruppe, eingreift.
  • Wenigstens eine Komponente der Aufnahmeeinrichtung einer Vorrichtung zum Austauschen von Wärme ist in einer weiteren Ausführungsform mit einem Gehäuseteil einer Klimaanlage verbindbar.
  • In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Komponente der Aufnahmeeinrichtung mit dem Gehäuseteil einer Klimaanlage einstückig ausgebildet oder in dem Gehäuseteil integriert sein.
  • Überdies kann wenigstens eine Komponente der Aufnahmeeinrichtung einen elektrischen Anschluss aufweisen um die Aufnahmeeinrichtung, welche ihrerseits mit den Wärmetauscherbaugruppen in elektrisch leitendem Kontakt stehen kann mit den Kontakten einer elektrischen Stromversorgung zu verbinden.
  • Ist die elektrische Leitfähigkeit der ersten Komponente der zweiten' Wärmetauscherbaugruppe (standardisiertes Funktionselement) so gewählt, dass ein elektrischer Strom durch die Komponente fließen kann, so lassen sich dadurch mehrere elektrische Heizelemente mit Strom versorgen. Durch eine Kombination elektrisch leitender und elektrisch nicht leitender standardisierter Funktionselemente ist eine Spannungsversorgung der elektrischen Heizelemente in einer beliebig definierbaren elektrischen Schaltungsanordnung möglich.
  • In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die ersten Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppen der Vorrichtung zum Austausch von Wärme außerdem direkt und/oder indirekt mit wenigstens einer Stromquelle elektrisch leitend verbunden. Eine indirekte elektrisch leitende Verbindung wird hierbei vorzugsweise über einen Kontakt der PTC-Heizelemente mit den Kontaktelementen hergestellt. Eine weitere indirekte elektrisch leitende Verbindung kann unter Einbeziehung der Wellrippen in den Stromkreis hergestellt werden. Die elektrische Verbindung der PTC-Heizelemente mit der Stromquelle erfolgt dann beispielsweise über eines oder mehrere Kontaktelemente sowie eine oder mehrere Wellrippen. Auf diese Weise können mehrere PTC-Heizelemente beliebig parallel oder in Serie geschalten werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Heizelemente einerseits mit dem Pluspol einer Stromquelle indirekt über eines der Kontaktelemente verbunden undandererseits ebenfalls indirekt über ein weiteres Kontaktelement mit der Aufnahmeeinrichtung, innerhalb derer die Wärmetauscherbaugruppen angeordnet sind und welche vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden Material wie zum Beispiel Aluminium hergestellt ist. Die Aufnahmeeinrichtung ist hierbei mit dem negativen Pol der elektrischen Stromquelle verbunden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Vorrichtung zum Austausch von Wärme in einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges eingesetzt um eine Erwärmung der Innenraumluft des Kraftfahrzeuges zu ermöglichen. Hierbei wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung Luft, die in den Innenraum des Fahrzeuges eingeleitet wird, beheizt. Die Klimaanlage weist überdies vorzugsweise einen Kompressor, Kondensator Trockner/Sammler, Expansionsventil und einen Verdampfer auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung vorzugsweise in den Strömungskanal des Lüftungssystems einer Klimaanlage eingebracht werden, wobei sich neben einem einflutigen Strömungskanal insbesondere auch mehrflutige Strömungskanäle für den Einsatz in der Vorrichtung eignen. Hierbei können in einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die unteschiedlichen Luftströme des mehrflutigen Strömungskanals auf unterschiedliche und unabhängige Art und Weise beheizt werden.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme, kann zum Beheizen von in den Innenraum eines Kraftfahrzeuges geleitete Luft verwendet werden. Die Vorrichtung kann hierbei zusätzlich zu den üblicherweise verwendeten Wärmetauschern in einem Kraftfahrzeug verwendet werden und ist dabei vorzugsweise solange in Betrieb, bis die vom Heiz- und Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung stehende Wärme des Verbrennungsmotors ausreicht, um eine ausreichende Erwärmung der in den Fahrzeuginnenraum geführten Luft zu erreichen.
  • Ein weiteren Ausführungsform findet die erfindungsgemäße Vorrichtung Verwendung in Kraftfahrzeugen mit niedrigem Kraftstoffverbrauch, deren Verbrennungswärme des Motors so niedrig ist, dass nicht genügend Wärmeenergie zum ausreichenden Erwärmen des Innenraums vorhanden ist.
  • Es besteht überdies die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer beliebigen Heiz- bzw. Kühleinrichtung allein oder zusätzlich zu anderen Einrichtungen zum Austausch von Wärme zu verwenden.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Figuren und den Ansprüchen.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1:
    eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäß dem Stand der Technik;
    Fig. 2:
    eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäß der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 3:
    eine schematische Darstellung einer ersten Wärmetauscherbaugruppe mit einem elektrischen Heizelement;
    Fig.4a:
    eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Fig. 3 entlang der Linie A;
    Fig.4b:
    eine Schnittdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer ersten Wärmetauscherbaugruppe gemäß Fig. 3 entlang der Linie A;
    Fig. 5:
    eine schematische Darstellung einer zweiten Wärmetauscherbaugruppe ohne ein elektrisches Heizelement;
    Fig. 6:
    eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung;
    Fig. 7a:
    eine Detailansicht der Aufnahmeinrichtung der Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäß Fig. 6;
    Fig. 7b:
    eine Detailansicht einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäß Fig. 6;
    Fig. 8:
    eine schematische Darstellung verschiedener Ausführungsformen von Wärmetauscherbaugruppen.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäß dem Stand der Technik. Diese weist einen Heizblock 1 auf, der aus mehreren nebeneinander angeordneten Wärmetäuscherbaugruppen 2 besteht. Die Wärmetauscherbaugruppe 2 weist als erste Komponente elektrische Heizelemente, vorzugsweise streifenförmigen PTC-Heizelemente 3a, 3b auf
  • Um einen besseren Wärmeübergang zwischen den PTC-Heizelementen 3a, 3b und einer Wellrippe 4 zu erreichen, weist die Wärmetauscherbaugruppe 2 ein Kontaktblech 5 auf, dass zwischen dem PTC-Heizelementen 3a, 3b und der Wellrippe 4 angeordnet ist und welches mit dem PTC-Heizelement und der Wellrippe elektrisch und thermisch leitend verbunden ist.
  • Der rechteckförmige Heizblock 1 ist in einem rechteckförmigen Rahmen 6 mit vier Rahmenschenkeln 6a, 6b, 6c, 6d angeordnet und wird mit einer Feder 7 in diesem Rahmen verspannt.
  • Die PTC-Heizelemente sind mit einer Spannungsquelle 8 verbunden, wobei der Stromkreis über ein Kontaktblech 5, eine Wellrippe 4 und wenigstens ein Rahmenelement 6c geschlossen wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Wärmetauscherbaugruppen elektrisch parallel geschaltet.
  • Fig. 2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Der rechteckförmige Heizblock 11 ist in einem rechteckförmigen Rahmen 16 mit vier Rahmenschenkeln 16a, 16b, 16c, 16d gehalten. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rahmenschenkel einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf.
  • In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist eine erste Wärmetauscherbaugruppe 12a dargestellt, welche PTC-Heizelemente 13a, Kontaktbleche 15a, 15b und eine Wellrippe 14a aufweist. Mittels des elektrischen Kontaktes 19a sind die PTC-Heizelemente 13a mit einer Stromquelle 18a verbunden.
  • Neben der ersten Wärmetauscherbaugruppe 12a weist der Heizblock 11 außerdem eine zweite Wärmetauscherbaugruppe 12b auf. Sie weist neben den Kontaktblechen 15c, 15d, die Wellrippe 14b, eine erste Komponente 13b auf, die im Gegensatz zu der ersten Komponente 13a der ersten Wärmetauscherbaügruppe kein Heizelement aufweist.
  • Diese erste Komponente 13b der zweiten Wärmetauscherbaugruppe wird im wesentlichen nicht durch einen durch die Komponente fließenden elektrischen Strom beeinflusst und stellt kein elektrisches Heizelement dar sondern ist ein standardisiertes Funktionselement, um beispielsweise einen vorbestimmten Abstand zwischen den Kontaktblechen 15c, 15d zu halten und einen definierten Übergang von Energie zwischen den Kontaktblechen 15c, 15d zu gewährleisten.
  • Durch die Auswahl geeigneter Materialien weist diese erste Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe 13b eine definierte elektrische und thermische Leitfähigkeit auf.
  • Somit wird gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus Fig. 2 nicht nur durch die unmittelbar mit dem PTC-Heizelement 13a verbundenen Wellrippe 14a Energie an die durchströmende Luft abgeführt, sondern auch über die mit dem standardisierten Funktionselementen 13b thermisch und elektrisch gekoppelten Wellrippen.
  • Die Fixierung der Wärmetauscherbaugruppen und deren Komponenten erfolgt durch ein erstes, zweites und drittes Verbindungsmaterial, welches partiell 30a, 50a oder vollflächig 30b, 30c, 50b, 50c an den Oberflächen der Komponenten und/oder Wärmetauscherbaugruppen und besonders bevorzugt zwischen den Komponenten und/oder Wärmetauscherbaugruppen angeordnet ist.
  • Fig. 3 zeigt eine schematisierte Detaildarstellung einer ersten Wärmetauscherbaugruppe mit PTC-Heizelement 32.
  • Das PTC-Heizelement 32 ist zwischen zwei Kontaktblechen 35b und 35c angeordnet. Um eine feste Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten zu gewährleisten, ist ein erstes Verbindungsmaterial 30a, 30b, 30c vorgesehen, welches die Anordnung der Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe zueinander fixiert.
  • Im Anschluss an die beiden Kontaktbleche 35b, 35c sind die Wellrippen 34a, 34b angeordnet, welche mit dem ersten Verbindungsmaterial an den Kontaktblechen 35b, 35c fixiert sind.
  • An die beiden Kühlrippen 34a, 34b schließen sich zwei weitere Kontaktbleche 35a, 35d an, welche ebenfalls über dem ersten Verbindungsmaterial mit den Kühlrippen verbunden sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Verbindung der einzelnen Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe so gestaltet, dass der Austausch von thermischer und elektrischer Energie zwischen den einzelnen Komponenten begünstigt wird.
  • Unter dem Begriff Verbindungsmaterial im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Material zu verstehen, welches aufgrund seiner physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften die feste Verbindung zwischen verschiedenen Komponenten oder Baugruppen ermöglicht und dessen von der Temperatur abhängige Materialeigenschaften wenigstens einer Materialeigenschaft der verwendeten Materialien zumindest teilweise entspricht. Vorzugsweise liegt der Temperaturbereich, in welchem die Materialeigenschaften im wesentlichen gleich sind, zwischen - 50°C und +300°C, bevorzugt zwischen -30°C und +250°C und besonders bevorzugt zwischen -30°C und +170°C.
  • Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, kann das erste Verbindungsmaterial 30a so angeordnet werden, dass nur in den Bereichen in welchen sich die Komponenten berühren, das Verbindungsmaterial vorgesehen ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Verbindungsmaterial 30b, 30c auch auf der gesamten Flächen der Komponenten aufgebracht werden, um die verschiedene Komponenten zueinander zu fixieren und zusätzlich die mit Verbindungsmaterial versehenen Oberflächen abzudecken.
  • Somit dient das Verbindungsmaterial in den Berührungsbereichen zum Fixieren der Komponenten und zusätzlich in den Berührungsbereichen und an den Oberflächen als Schutz der Komponenten gegenüber äußeren Einflüssen, die beispielsweise zu Korrosion der Oberflächen oder der gesamten Komponente führen könnten.
  • Fig. 4a zeigt eine Schnittdarstellung der ersten Wärmetauscherbaugruppe entlang der Schnittlinie A, wobei neben den einzelnen Komponenten der Wärmetauscherbaugruppe auch das Verbindungsmaterial dargestellt ist. Das PTC-Heizelement 42 berührt die beiden Kontaktbleche 45c, 45b und ist durch das Verbindungsmaterial 40b mit den Kontaktblechen verbunden. Die Kontaktbleche 45b, 45c sind weiterhin mit den Wellrippen 44a, 44b durch das Verbindungsmaterial 40a, 40c verbunden. Die Wärmetauscherbaugruppe wird durch zwei weitere Kontaktbleche 45a, 45d beiderseits abgeschlossen. Diese sind ebenfalls mit den Kühlrippen 44a, 44b durch das Verbindungsmaterial 40a, 40c verbunden.
  • Wie aus Fig. 4a zu entnehmen ist, ist in dieser Ausführungsform das Verbindungsmaterial im wesentlichen an den Oberflächen der einzelnen Komponenten angeordnet und füllt den freien Raum zwischen den beiden Kontaktblechen 45b, 45c nicht aus.
  • In Fig. 4b ist eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform einer ersten Wärmetauscherbaugruppe dargestellt, bei welcher der Bereich zwischen den Kontaktblechen 45b, 45c, der nicht durch das PTC-Heizelement 42 eingenommen wird, durch das Verbindungsmaterial 40d ausgefüllt ist.
  • Neben der Verbindung der Komponenten durch das Verbindungsmaterial, füllt das Verbindungsmaterial in einer besonders bevorzugten Ausführungsform den Hohlraum zwischen den einzelnen Komponenten aus um hierdurch die äußere Form der Wärmetauscherbaugruppe, insbesondere bezüglich des Strömungswiderstandes an die jeweiligen Vorgaben anpassbar zu gestalten
  • Fig. 5 zeigt eine zweite Wärmetauscherbaugruppe ohne Heizelement, die ein standardisiertes Funktionselement (erste Komponente der zweiten Wärmetauscherbäugruppe) 52 aufweist.
  • Dieses standardisierte Funktionselement 52 ist mittels eines ersten Verbindungsmaterials 50b mit den beiden Kontaktblechen 55b, 55c verbunden. Die Wellrippen 54a, 54b schließen sich an die Kontaktbleche 55b, 55c an und sind ebenfalls durch ein zweites Verbindungsmaterial 50a, 50c bezüglich der Kontaktbleche fixiert. Wiederum wird die Wärmetauscherbaugruppe von zwei Kontaktblechen 55a, 55d beiderseits abgeschlossen. Diese sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform mit einem zweiten Verbindungsmaterial 50c mit den Kühlrippen 54a, 54b verbunden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 5 auf der linken Seite der Wärmetauscherbaugruppe eine Verbindungsmethode, bei welcher das Verbindungsmaterial 50c vollflächig auf die Komponenten aufgetragen worden ist.
  • Auf der rechten Seite der Darstellung ist der Einsatz des Verbindungsmaterials 50a auf den Bereich der Berührungspunkte zwischen den Kontaktblechen 55a, 55b und der Wellrippe 54a begrenzt.
  • Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Austauschen von Wärme, in welchem die Aufnahmeeinrichtung 67a ein Element 66b aufweist, das zwischen die zwei Komponenten 65a, 65b der ersten Wärmetauscherbaugruppe eingreift.
  • Hierdurch wird verhindert, dass die Kontaktbleche der Wärmetauscherbaugruppen miteinander in Kontakt treten können und so ein unerwünschter elektrischer und/oder thermischer Kontakt zwischen den Kontaktblechen auftritt.
  • Der Vorsprung 66a bildet ein seitliches Abschlusssegment der Endkappe 67a und schützt die Wärmetauscherbaugruppe oder den Heizblock unter anderem gegen mechanische Beanspruchungen.
  • Der Heizblock gemäß Fig. 6 weist ferner Heizelemente 62a, 62c, standardisierte Funktionselemente 62b, Kühlrippen 64a, 64b und Kontaktbleche 65a, 65b, 65c auf. Die Aufnahmeeinrichtung 67a, 67b ist an der Oberseite und Unterseite des Heizblocks angeordnet, wobei die Aufnahmeeinrichtung zwei Elemente 67a und 67b als obere- und untere Endkappe aufweist. Zum Betreiben der elektrischen Heizelemente sind die Wärmetauscherbaugruppen mit den Spannungsquellen 63a und 63b verbunden.
  • In der Fig. 7a ist im Detail eine Vorrichtung zum Austauschen von Wärme gemäß Fig. 6 dargestellt, deren Aufnahmeeinrichtung 77a Vorsprünge aufweist. Der Vorsprung 76b greift zwischen die beiden Kontaktbleche 75a, 75b ein und ist durch ein Verbindungsmaterial 70c mit den Kontaktblechen 75a, 75b fixiert. Das Verbindungsmaterial, welches im Überschuss aufgetragen ist, bildet eine formschlüssige Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten der Wärmetauscherbaugruppen und verbindet überdies die Kontaktbleche 75a, 75b mit der Endkappe 77a.
  • Der Vorsprung 76a ist gemäß der hier dargestellten Ausführungsform nicht mit dem Kontaktblech 75c durch ein Verbindungsmaterial verbunden. Bei einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Vorsprung 76a und dem Kontaktblech 75c ein Verbindungsmaterial vorgesehen.
  • In Fig. 7b ist eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zum Austauschen von Wärme mit einer Aufnahmeeinrichtung dargestellt, welche keinen Vorsprung aufweist. Diese Aufnahmeeinrichtung ist in dieser Ausführungsform ebenfalls als Endkappe gestaltet, so dass der Heizblock auf seiner Ober- bzw. Unterseite fixiert ist. Die Endkappen sind an die vorgegebenen Abmessungen wie z.B. den Abmessungen eines Strömungskanals, angepasst.
  • Die Fig. 7b zeigt neben der Aufnahmeeinrichtung 77a das Heizelement 72a, die Kühlrippen 74a, 74b, das standarisierte Funktionselement 72b, die Kontaktbleche 75a, 75b, 75c und die Bereiche mit Verbindungsmaterial 70a, 70b, 70c.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Endkappe 77a nicht durch ein Verbindungsmaterial mit dem Heizblock verbunden sondern steht mit diesem lediglich in einer zumindest teilweise formschlüssigen Verbindung.
  • Fig.8 zeigt verschiedene Module im Sinne der vorliegenden Erfindung, welche wenigstens zwei Komponenten aufweisen und welche für die Herstellung von Heizblöcken mit jeweils unterschiedlichen Anforderungen an die Heizeigenschaften geeignet sind.
  • Fig. 8a zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer ersten Wärmetauscherbaugruppe, die aus zwei PTC-Heizelementen 82a, einem Kontaktblech 85a und einer Kühlrippe 84a besteht.
  • Fig. 8b zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform, die neben einer Kühlrippe 84a zwei Kontaktbleche 85a, 85b beiderseits der Kühlrippe 84a aufweist.
  • Fig. 8c zeigt eine Wärmetauscherbaugruppe, die aus einer Kühlrippe 84a und einem Kontaktblech 85a besteht.
  • Fig. 8d zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer zweiten Wärmetauscherbaugruppe, die neben einem standarisierten Funktionselement 82b, ein Kontaktblech 85a und eine Kühlrippe 84a aufweist.
  • In Fig. 8e ist eine Kombination aus mehreren Kühlrippen 84a und Kontaktblechen 85a, 85b, 85c dargestellt. Die beiden Kühlrippen 84a sind auf beiden Seiten eines Kontaktblechs 85b angeordnet und werden seitlich durch zwei Kühlbleche 85a, 85c abgeschlossen.
  • Im Sinne der Erfindung sind weitere, beliebige Kombinationen einzelner Komponenten zu erfindungsgemäßen Modulen möglich.
  • Die Verbindung und Fixierung der in Fig. 8 dargestellten Module zu einem Heizblock erfolgt durch ein erstes, zweites und/oder drittes Verbindungsmaterial, dass entweder lediglich im Berührungsbereich der Module vorhanden ist oder die Oberfläche der Komponenten vollständig umgibt.

Claims (35)

  1. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit
    wenigstens einer ersten Wärmetauscherbaugruppe (12a),
    wobei diese erste Wärmetauscherbaugruppe (12a) wenigstens eine erste Komponente (13a) aufweist, welche mit einer elektrischen Stromquelle (18) verbunden ist (19a) und deren Temperatur sich in Abhängigkeit eines die Komponente durchfließenden elektrischen Stromes ändert, und
    wobei diese erste Wärmetauscherbaugruppe (12a) wenigstens eine zweite'Komponente (14a) zum Austausch von Wärme mit einem die Wärmetauscherbaugruppe umströmenden Medium aufweist, und
    wobei die erste Wärmetauscherbaugruppe (12a) wenigstens eine dritte Komponente (15a) aufweist, die zwischen der ersten und zweiten Komponente (13a, 14a) angeordnet ist, und welche thermische und/oder elektrische Energie leitet, und
    wobei die Komponenten (13a, 14a, 15a) der ersten Wärmetauscherbaugruppe sich derart berühren, dass ein Übergang von thermischer und/oder elektrischer Energie ermöglicht wird,
    wobei zumindest in den Bereichen, in denen sich wenigstens zwei Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe einander annähern oder berühren ein erstes Verbindungsmaterial (30a, 30b, 30c) vorgesehen ist, welches die Anordnung dieser Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe zueinander fixiert und den Austausch von thermischer und/oder elektrischer Energie zwischen den Komponenten begünstigt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste Verbindungsmaterial so gewählt ist, dass wenigstens eine von der Temperatur beeinflusste Materialeigenschaft des ersten Verbindungsmaterials der gleichen Materialeigenschaft wenigstens eines der verwendeten Materialien, für zumindest einen Teil der Komponenten (13a, 14a; 15a) der ersten Wärmetauscherbaugruppe, in einem Temperaturbereich zwischen - 30° C und + 170° C im wesentlichen entspricht,
    wobei diese wenigstens eine von der Temperatur beeinflusste Materialeigenschaft aus einer Gruppe von Materialeigenschaften ausgewählt ist, die Temperaturausdehnungskoeffizient, Elastizität, Plastizität und Steifigkeit umfasst.
  2. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung wenigstens eine zweite Wärmetauscherbaugruppe (12b) aufweist,
    wobei diese zweite Wärmetauscherbaugruppe (12b) wenigstens eine erste Komponente (13b) aufweist, deren Temperatur nicht durch einen durch die Komponente fließenden elektrischen Strom beeinflusst wird, und
    wobei diese zweite Wärmetauscherbaugruppe (12b) wenigstens eine zweite Komponente (14b) zum Austausch von Wärme mit dem die Wärmetauscherbaugruppe umströmenden Medium aufweist, und
    wobei die erste Komponente (13b) der zweiten Wärmetauscherbaugruppe aus einem Material definierter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit besteht.
  3. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zweite Wärmetauscherbaugruppe (12b) wenigstens eine dritte Komponente (15c) aufweist, wobei die dritte Komponente vorzugsweise zwischen der ersten und zweiten Komponente (13b, 14b) angeordnet ist, und welche thermische und/oder elektrische Energie leitet.
  4. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der Ansprüche 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Komponenten (13b, 14b, 15c) der zweiten Wärmetauscherbaugruppe sich derart berühren, dass ein Übergang von thermischer und/oder elektrischer Energie ermöglicht wird, und
    zumindest in den Bereichen, in denen sich wenigstens zwei Komponenten der zweiten Wärmetauscherbaugruppe berühren ein zweites Verbindungsmaterial (50a, 50b, 50c) vorgesehen ist, welches die Anordnung dieser Komponenten der zweiten Wärmetauscherbaugruppe zueinander fixiert, und
    das zweite Verbindungsmaterial so gewählt ist, dass wenigstens eine Materialeigenschaft des zweiten Verbindungsmaterials der gleichen Materialeigenschaft wenigstens eines der verwendeten Materialien, vorzugsweise der für zumindest einen Teil der Komponenten der ersten und/oder der zweiten Wärmetauscherbaugruppe-verwendeten Materialien, zumindest teilweise entspricht, vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen - 50° C und + 300° C, bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen - 30° C und + 250° C, besonders bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen - 30° C und + 170° C im wesentlichen entspricht.
  5. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Abmessungen der zweiten Wärmetauscherbaugruppe den Abmessungen wenigstens einer der ersten Wärmetauscherbaugruppen zumindest teilweise entsprechen, und dass
    mehrere dieser Wärmetauscherbaugruppen in beliebiger Stückzahl und Reihenfolge aneinander anordenbar sind.
  6. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich wenigstens zwei Wärmetauscherbaugruppen zumindest teilweise berühren,
    wobei in den Bereichen, in denen sich die Wärmetauscherbaugruppen berühren ein drittes Verbindungsmaterial vorgesehen ist, welches die Anordnung der Wärmetauscherbaugruppen zueinander fixiert.
  7. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wärmetauscherbaugruppen sich derart berühren, dass ein Übergang von thermischer und/oder elektrischer Energie ermöglicht wird.
  8. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der Ansprüche 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das dritte Verbindungsmaterial so gewählt ist, dass wenigstens eine Materialeigenschaft des dritten Verbindungsmaterials der gleichen Materialeigenschaft wenigstens eines der verwendeten Materialien, vorzugsweise der für zumindest einen Teil der Komponenten der ersten und/oder der zweiten Wärmetauscherbaugruppe verwendeten Materialien, zumindest teilweise entspricht, vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen - 50° C und + 300° C, bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen - 30° C und + 250° C, besonders bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen - 30° C und + 170° C im wesentlichen entspricht.
  9. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste und/oder zweite und/oder dritte Verbindungsmaterial den Austausch von thermischer und/oder elektrischer Energie begünstigt.
  10. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Materialeigenschaft des ersten und/oder zweiten und/oder dritten Verbindungsmaterials der thermische Ausdehnungskoeffizient ist.
  11. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste und/oder zweite und/oder dritte Verbindungsmaterial im wesentlichen gleiche Inhaltsstoffe aufweist.
  12. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das erste und/oder zweite und/oder dritte Verbindungsmaterial eine Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit der daran angrenzenden Materialien verhindert, vorzugsweise eine Veränderung der Oxidationszahl der daran angrenzenden Materialien verhindert, vorzugsweise die Oberflächen der daran angrenzenden Materialien vor einer Korrosion schützt, besonders bevorzugt die erste Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe vor einer Korrosion schützt.
  13. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest ein Teil der Oberflächen der Komponenten der ersten Wärmetauscherbaugruppe, welche mit dem die Wärmetauscherbaugruppen umströmenden Medium in Kontakt stehen und/oder ein Teil der Oberflächen der Komponenten der zweiten Wärmetauscherbaugruppe, welche mit dem die Wärmetauscherbaugruppen umströmenden Medium in Kontakt stehen im wesentlichen vollständig von dem ersten und/oder zweiten und/oder dritten Verbindungsmaterial überdeckt oder umgeben sind.
  14. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die physikalischen Eigenschaften der ersten Komponente (13b) der zweiten Wärmetauscherbaugruppe einen Transport von thermischer und/oder elektrischer Energie begünstigen.
  15. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die physikalischen Eigenschaften der ersten Komponente (13b) der zweiten Wärmetauscherbaugruppe einen Transport von thermischer und/oder elektrischer Energie hemmen.
  16. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Komponente (13b) der zweiter Wärmetauscherbaugruppe so ausgeführt ist, dass der Strömungswiderstand den die erste Komponente der zweiten Wärmetauscherbaugruppe dem sie umströmenden Medium entgegensetzt, in einem vorbestimmten Verhältnis zum Strömungswiderstand, den die erste Komponente der ersten Wärmetauscherbaugruppe dem sie umströmenden Medium entgegensetzt, steht.
  17. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Komponente (13a) der ersten Wärmetauscherbaugruppe wenigstens ein Heizelement mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Heizelement) aufweist.
  18. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zweite Komponente (19a) der ersten Wärmetauscherbaugruppe und/oder die zweite Komponente (14b) der zweiten Wärmetauscherbaugruppe Kühlrippen, vorzugsweise wellenförmige Kühlrippen, vorzugsweise Wellrippen aus einem elektrisch und/oder thermisch leitenden Material aufweist.
  19. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wärmetauscherbaugruppen in einer Aufnahmeeinrichtung (16) angeordnet sind.
  20. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wärmetauscherbaugruppen so kombiniert sind, dass die Wärmemenge, welche zwischen der gesamte Vorrichtung und dem die Wärmetauscherbaugruppen umströmenden Medium austauschbar ist, vorgegeben ist.
  21. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung aus einer Kombination von standardisierten Modulen aufgebaut ist.
  22. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Aufnahmeeinrichtung (16) wenigstens einen ersten seitlichen Rahmenschenkel (16b) und wenigstens einen zweiten seitlichen Rahmenschenkel (16d) aufweist, wobei die ersten und/oder zweiten Wärmetauscherbaugruppen (12a, 12b) innerhalb der von dem ersten und zweiten Rahmenschenkel (16b, 16d) aufgespannten Fläche gehalten werden.
  23. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Aufnahmeeinrichtung (16) wenigstens einen oberen Rahmenschenkel (16a) und wenigstens einen unteren Rahmenschenkel (16c) aufweist, wobei zumindest Teile der ersten und/oder zweiten Wärmetauscherbaugruppen (12a, 12b) innerhalb der von dem oberen und unteren Rahmenschenkel (16a, 16c) aufgespannten Fläche gehalten werden.
  24. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die ersten und/oder zweiten Wärmetauscherbaugruppen (12a, 12b) durch eine im wesentlichen orthogonal zur Längsachse der Wärmetauscherbbaugruppen wirkenden Kraft gehalten werden.
  25. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der erste seitliche Rahmenschenkel (16b) mit dem zweiten seitlichen Rahmenschenkel (16d) durch wenigstens einen der oberen und/oder wenigstens einen der unteren Rahmenschenkel (16a, 16c) verbunden ist, so dass erster und zweiter seitlicher Rahmenschenkel (16b, 16d) in einem definierbaren Abstand voneinander gehalten werden.
  26. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens ein oberer und/oder unterer Rahmenschenkel (67a, 67b) als Endkappe ausgebildet ist.
  27. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens ein Rahmenschenkel, vorzugsweise der obere und der untere Rahmenschenkel (16a, 16c) aus einem elektrisch nichtleitenden Material; vorzugsweise Kunststoff, besteht.
  28. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens ein Rahmenschenkel der Rahmenanordnung einen Hohlprofilförmigen oder einen Formprofilförmigen Querschnitt aufweist, vorzugsweise einen U-förmigen, einen C-förmigen, einen I-förmigen, einen T-förmigen oder einen L-förmigen Querschnitt aufweist.
  29. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine erste und/oder zweite Wärmertauscherbaugruppe (12a, 12b) mit wenigstens einem Rahmenschenkel verbunden ist, vorzugsweise durch wenigstens eine Steckverbindung, eine Schraubverbindung, eine Klebeverbindung, eine Schweißverbindung und/oder dergleichen verbunden ist.
  30. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Aufnahmeeinrichtung (16) wenigstens ein Element (67a) aufweist, welches wenigstens einen Vorsprung (66a, 66b) aufweist, der wenigstens zwischen zwei Komponenten der ersten und/oder der zweiten Wärmetauscherbaugruppe (12a, 12b) eingreift.
  31. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das die Aufnahmeeinrichtung (16) wenigstens eine Ausnehmung und oder Durchführung aufweist, in die wenigstens eine Komponente der ersten und/ oder zweiten Wärmetauscherbaugruppe (12a, 12b) eingreift.
  32. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine Komponente der Aufnahmeeinrichtung mit einem Gehäuseteil einer Klimaanlage verbunden ist.
  33. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine Komponente der Aufnahmeeinrichtung mit einem Gehäuseteil einer Klimaanlage einstückig ausgebildet ist.
  34. Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    wenigstens eine Komponente der Aufnahmeeinrichtung einen elektrischen Anschluss (20) aufweist.
  35. Einrichtung zum Kühlen oder Heizen von Luft, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit Luftströmungswegen, Luftströmungssteuerelementen und wenigstens einer Luftfördereinrichtung und einem Gehäuse, innerhalb dessen eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche angeordnet ist.
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