EP1382470B1 - Vorrichtung zum Austausch von Wärme - Google Patents

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EP1382470B1
EP1382470B1 EP02291813A EP02291813A EP1382470B1 EP 1382470 B1 EP1382470 B1 EP 1382470B1 EP 02291813 A EP02291813 A EP 02291813A EP 02291813 A EP02291813 A EP 02291813A EP 1382470 B1 EP1382470 B1 EP 1382470B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
exchange
component
heat
heat exchanger
exchanger assembly
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP02291813A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1382470A1 (de
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Michel Brun
Christophe Schmittheisler
Pascal Miss
Gregory Lucas
Yannick Laumonnerie
Mathieu Mougey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr France Rouffach SAS
Original Assignee
Behr France Hambach SARL
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Publication date
Application filed by Behr France Hambach SARL filed Critical Behr France Hambach SARL
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Priority to ES02291813T priority patent/ES2250602T3/es
Priority to EP02291813A priority patent/EP1382470B1/de
Priority to DE50203958T priority patent/DE50203958D1/de
Publication of EP1382470A1 publication Critical patent/EP1382470A1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/48—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material
    • H05B3/50—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor embedded in insulating material heating conductor arranged in metal tubes, the radiating surface having heat-conducting fins
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/02—Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient

Definitions

  • the present invention relates to a device for exchanging heat and in particular an electric heater.
  • Such devices for the exchange of heat for example, to heat Used air in motor vehicles.
  • Such an electric heater for heating in the interior a motor vehicle guided air consists of electrical heating elements and heat conductors, where the air to be heated flows past.
  • electric heating elements for example, ceramic heating elements used with positive temperature coefficients (PTC heating elements).
  • the heat emitted by the heating elements is transmitted by heat conductors, which executed for example in the form of corrugated ribs or fins are discharged to the air to be heated.
  • the heating elements are usually held in a receiving device, on which also control devices, such as power transistors or similar electrical switching or control elements attached could be.
  • EP 0616 486 A1 discloses a heating apparatus for heating a fluid, wherein wavy heat transfer elements and intermediate plates and resistance heating elements are provided.
  • the object of the present invention is to provide a device to exchange heat that is designed to both the connection the electric heating elements with the voltage source as well Heat conduction between the PTC element and the air in a simple manner can be provided.
  • the object is achieved by a device according to claim 1.
  • An inventive device for exchanging heat in particular for a motor vehicle, has at least one heat exchanger assembly on, which is designed to allow the device to exchange heat with regard to the heating surface, the heating capacity and the heating grading and the Heating power distribution simply a predetermined purpose can be adjusted.
  • a device for the exchange of heat has according to a preferred embodiment, a heat exchanger assembly on, which has at least a first component whose temperature in dependence of a flowing through the component electrical Current changes.
  • the first component is at least one electric heating element connected to an electrical power source is.
  • the heat exchanger assembly has a second component to Exchange of heat with the heat exchanger assembly flowing around Medium up.
  • heating element in the sense of the present invention is a To understand element or a group of elements by which electrical Energy is converted into heat energy.
  • Such heating elements 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 and / or the like find use.
  • the heat exchanger assembly, the at least one electric heating element and in particular two second components for exchanging heat has, according to a preferred embodiment in a receiving device arranged.
  • the second or second components are defined from a material electrical and thermal conductivity produced.
  • the arrangement of the first and second components of the heat exchanger assembly takes place in the Way, that at least a first and a second component of Heat exchanger assembly in the way that the replacement of thermal and / or electrical energy is favored.
  • the second component the heat exchanger assembly a grid consisting of metallic and / or made of synthetic materials.
  • grid in the context of the present invention is a braid metallic and / or synthetic material understood, which openings that regularly or irregularly over the Hauptausdehnungscardien of the grid are distributed and which essentially by the distance of the individual thread-like basic elements.
  • basic elements For example, wires with a given cross-sectional diameter be provided.
  • the number of wires used, their diameter and the grid structure a predetermined closed area.
  • This closed surface also faces a so-called open area. It results from the difference of the flow-side surface of the Heat exchanger and the open surface of the heat exchanger grille.
  • the grid can also be understood in terms of a fabric or braid are also laid structures within the meaning of the present Invention be understood as a woven or braided.
  • the grid is at least one part the frame element electrically conductively connected. This connection will either by contact of the surface structures of the grid with the receiving device or by the use of a conductive bonding agent reached.
  • Invention will be the connection between the receiving device and the Grids with a welded joint, an adhesive bond, a solder joint and / or screw / rivet connection achieved.
  • the medium flowing around the heat exchanger assembly is preferably a gaseous or liquid medium. It is particularly preferred that the the heat exchanger assembly is circulating medium air, which in one Car is promoted in the vehicle interior to this to temper.
  • a third component which the two Components of the heat exchanger assembly in a predetermined position interconnects and also the transmission of electrical and / or thermal energy to a predetermined extent.
  • the transmission of electrical and / or thermal energy in the sense of present invention may be either by a direct contact of the first and second component, where relevant their surface structure and points of contact to exchange the energy. Furthermore, the contact of the two components indirectly via the fixing third component. Also a combination of the two transmission paths is within the meaning of the present invention.
  • Such a third component may according to the present invention Connecting element such as an adhesive, a weld or a solder joint. Furthermore, in the context of the present invention also a third component serving as a mechanical fastener is executed and the components frictionally and / or positively with each other combines. This can in particular a clamping device, a screw and / or a riveted joint, etc.
  • the first component the heat exchanger assembly with respect to the main flow direction arranged the circulating medium at a predetermined angle.
  • the Flow direction of a medium understood which is substantially determined by the inner boundary of a flow path or channel becomes.
  • the orientation of the first component with respect to the circulating medium through the predetermined Heat transfer between the electric heating element and the flowing medium and / or the pressure drop of the flowing through Medium set.
  • the electrical Heating elements which essentially have a planar basic shape, to achieve maximum heat transfer, with the main expansion direction be arranged perpendicular to the flow direction.
  • the PTC elements with a to arrange predetermined angle between 0 degrees and 90 degrees in the air flow.
  • the second component is used to provide an electrical connection between the first component, in particular the electric heating element and a voltage source, provide.
  • the heat exchanger assembly a frame-shaped receiving device, the at least from two lateral frame legs and at least one upper one and lower frame legs. These frame legs, in one predetermined angle to each other, stretch a surface on, within which the heat exchanger assembly or the heat exchanger assemblies being held.
  • the individual heat exchanger assemblies to combine with each other in a way that a given Amount of heat to be delivered to the passing air flow can.
  • the invention provides a heat exchanger assembly Among other things, due to the small depth, also several times can be arranged in one or more flow paths.
  • At least one Frame legs designed so that between an in contact with it second component provided an electrically conductive contact becomes.
  • another frame leg designed so that a separate contacting of the electric heating elements and the second components can be made.
  • the upper frame legs a non-conductive, that is insulating, produced or by means of material of such a material is coated.
  • the connection to the power source or control unit is via individual contact points.
  • the device is for replacement from heat used in an air conditioning system of a motor vehicle to a To allow heating of the interior air of the motor vehicle.
  • air in the interior of the Vehicle is heated.
  • the air conditioner also has preferably a compressor, condenser, dryer, collector, an expansion valve and an evaporator on.
  • the device may preferably in the flow channel of the ventilation system of an air conditioner be introduced, in addition to a single-flow channel in particular also multi-flow flow channels can be used.
  • multi-flow flow channels can be used.
  • An inventive device for exchanging heat can for Heating used in the interior of a motor vehicle air used become.
  • the device may in addition to a conventional used heat exchangers are used in a motor vehicle and is preferably so long in operation until the heating and Cooling circuit of a motor vehicle available heat of the Internal combustion engine is sufficient to ensure adequate heating of the To reach the vehicle interior guided air.
  • Another application finds the device according to the invention in motor vehicles with low fuel consumption their engine so little heat of combustion that does not produce sufficient heat energy to sufficient Heating the interior is present.
  • the embodiments illustrated below relate to preferred Embodiments of the device for exchanging heat, in particular for a motor vehicle, according to the present invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a heat exchanger according to the prior art, the heating elements 1 between contact plates. 2 and adjoining cooling fins 3 are arranged. Furthermore, the shows Figure the arrangement of several heating elements in a mounting frame 4, in which the cooling fins 3, contact plates 2 and heating elements by means of a Spring 5 are clamped within the frame.
  • Fig. 2a shows a schematic representation of a heat exchanger assembly 21, which is arranged in a receiving device 22, 25 and a special preferred embodiment of the present invention.
  • the side view of the heat exchanger assembly is according to the present invention Invention in the flow channel of a ventilation system for motor vehicles so arranged that the plane spanned by the heat exchanger assembly level substantially perpendicular to the flow direction of the to be heated Medium is arranged.
  • the heat exchanger assembly itself is made of four according to the present invention Embodiment vertically arranged rows of electric heating elements 23, which at least at one contact point 24, 24 ', 24 ", 24 “'with the horizontally extending clamping strips 25 of the receiving device are connected.
  • the individual rows of heating elements are according to in the present embodiment, in each case on a grid 26, 26 ', 26 ", 26 “'and another grid 27.
  • the grids 26, 26', 26", 26 "' connects the heating elements on one side like a ribbon. That up the grating 27 arranged on the opposite side of the heating element electrically connected to the frame 28 of the receiving device and closes via the contact point 31, the circuit between a voltage source (not shown) and the heating elements 23rd
  • the outer receptacle is essentially divided into two frame members 25, 28, wherein the first frame member 28 is designed substantially U-shaped and made of a conductive material is made.
  • the receiving device is at least delimited in one direction by the frame member 25 at which For example, the contact strip and the contact points 24, 24 ', 24 ", 24 '"for the individual Schuelement Horn 26, 26', 26", 26 "'are arranged.
  • Fig. 2b shows the side view of the heat exchanger assembly with a receiving device from Fig. 2a, wherein in addition to the contact points 31 and the Lead 29 is substantially the frame member 28 can be seen, which due to the chosen embodiment and the use of a grid has a small depth.
  • the depth b 1 to 15 mm, preferably 2 to 10 mm and especially between 3 to 8 mm.
  • the heat exchanger assembly is in one Flow channel arranged such that, as symbolized by the arrow 30, the main flow direction of the medium flowing through vertically passes through the plane of the heat exchanger.
  • Fig. 2c shows a perspective view of the heat exchanger assembly as shown in FIG. 2a.
  • the heating elements 23, the grille 26, 26 ', 26 ", 26'" and 27 and the receiving device 22 substantially arranged in a plane that is substantially in depth is determined by the depth of the receiving device 22.
  • the connection the Schuelement Horn, the contact strip 25 and the receiving device takes place according to the present embodiment by means of a Screw connection or other suitable fastening means.
  • the conductive connection of the heating elements with the grids 26, 26 ', 26 ", 26"' and 27 takes place according to the present embodiment by gluing of the components together.
  • a silicone adhesive is preferred used, which allows, on the one hand, through the surfaces of the components fixed contact and on the other hand the line of thermal and electrical energy.
  • Fig. 3a shows a further embodiment of a heat exchanger assembly with a receiving device, which also consists of the basic elements a first receiving frame 48, consisting of three individual elements 45 ', 48, 48 ', which is designed substantially U-shaped, and another Frame unit 45, which as a contact strip for the contact points of the heating element rows 44, 44 ', 44 ", 44"' is executed.
  • a receiving device which also consists of the basic elements a first receiving frame 48, consisting of three individual elements 45 ', 48, 48 ', which is designed substantially U-shaped, and another Frame unit 45, which as a contact strip for the contact points of the heating element rows 44, 44 ', 44 ", 44"' is executed.
  • Fig. 3a heating elements divided into individual rows, which are between two bars 46, 46 ', 46 ", 46"' and 47 are arranged.
  • the gratings 46, 46 ', 46 ", 46"' connects the heating elements with the contact point, which at the contact strip is arranged and substantially band-shaped from the lower region the heat exchanger assembly extends to the contact strip. This opposite a flat-extending grid 47 is arranged, which, like previously described, the heating elements with the U-shaped frame member the recording device connects. On the grid 47 are the individual rows of heating elements, which in groups separated at the Contact strip 45 are attached, via which the contact point 51 with a Power source (not shown) connected.
  • the heating elements are not vertical arranged to the main flow direction of the air, but in one predetermined angle with respect to the same.
  • this angle ⁇ results from the main flow direction of the medium 50 and spanned by the heating element Level.
  • the angle is according to the present embodiment between 15 and 90 degrees, preferably between 25 and 75 degrees and especially preferably between 35 and 50 degrees.
  • the representation 3 c further shows the contact points for the heating elements 44, 44 ', 44 ", 44'” with the frame of the receiving device, wherein according to the present embodiment, in particular an electrically conductive connection between the frame members and the power source by a screw connection is reached.
  • the contact strip 45 is designed in the manner that the individual heating rows together via the terminal 49 and 52 are connected to the power source.
  • the electrical separation of Contact strip 45 with the frame legs 48 and 48 ' is effected by an electrical insulating medium, which for example between the surfaces the frame leg is arranged.
  • FIG. 3b shows the side view of the heat exchanger assembly of the Fig. 3a, wherein in addition to the electrical lines 49 and the contact point 44, the frame member 48 and parts of the heat exchanger grille 46 to recognize.
  • FIG. 3d shows the perspective view of a heat exchanger assembly, FIG. whose heating elements at the predetermined angle in With respect to the flow direction of the air are arranged.
  • the two Frame members 45, 45 'of the receiving device are each predetermined Angle of the heating elements adapted and show an approximate Wavy basic structure, the section perpendicular to the Main flow direction is arranged.
  • the connection of the frame elements takes place according to the present embodiment by means of Screw, wherein the contact strip 45 is designed so that no electric current between the frame member 45 and the frame members 41, 44 is conducted.
  • the heating elements are arranged between the band-like grid 46 and the grid 47, through the use of a silicone adhesive connected so that the line of electrical and thermal energy between the adjacent surfaces the heating element and the cooling grid in a predetermined extent he follows.

Landscapes

  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
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  • Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme und insbesondere eine elektrische Heizvorrichtung. Derartige Vorrichtungen zum Austausch von Wärme werden beispielsweise zum Beheizen von Luft in Kraftfahrzeugen verwendet.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer elektrischen Heizvorrichtung zum Beheizen des Innenraums eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für andere Anwendungszwecke geeignet ist.
Eine solche elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen der in den Innenraum eines Kraftfahrzeuges geleiteten Luft besteht 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 beispielsweise in Form von Wellrippen oder Lamellen ausgeführt sind, an die zu erwärmende Luft abgeführt.
Ferner ist es bekannt, die elektrische Verbindung der PTC-Elemente mit der jeweiligen Stromquelle durch Verwendung von Kontaktblechen zu erreichen. Die Heizelemente werden üblicherweise in einer Aufnahmeeinrichtung gehalten, an welcher auch Steuereinrichtungen, beispielsweise Leistungstransistoren oder ähnliche elektrischen Schalt- bzw. Steuerelementen, angebracht sein können.
Die EP 0616 486 A1 offenbart einen Heizapparat um ein Fluid zu erwärmen, wobei wellenförmige Wärmetransferelemente und dazwischen liegende Platten und Widerstandsheizelemente vorgesehen sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Austauschen von Wärme, die so gestaltet ist, dass sowohl die Verbindung der elektrischen Heizelemente mit der Spannungsquelle als auch die Wärmeleitung zwischen dem PTC-Element und der Luft in einfacher Weise bereitgestellt werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, weist wenigstens eine Wärmetauscherbaugruppe auf, die so gestaltet ist, dass die Vorrichtung zum Austausch von Wärme bezüglich der Heizfläche, der Heizleistung und der Heizstufung sowie der Heizleistungsverteilung einfach einem vorgegebenen Verwendungszweck angepasst werden kann.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austausch von Wärme sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Wärmetauscherbaugruppe auf, welche wenigstens eine erste Komponente aufweist, deren Temperatur sich in Abhängigkeit eines durch die Komponente fließenden elektrischen Stromes ändert. Insbesondere ist die erste Komponente wenigstens ein elektrisches Heizelement, das mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist.
Ferner weist die Wärmetauscherbaugruppe eine zweite Komponente zum Austausch von Wärme mit dem die Wärmetauscherbaugruppe umströmenden Medium auf.
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 und/oder dergleichen Verwendung finden.
Die Wärmetauscherbaugruppe, die wenigstens ein elektrisches Heizelement und insbesondere zwei zweite Komponenten zum Austausch von Wärme aufweist, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in einer Aufnahmeeinrichtung angeordnet.
Die zweite oder zweiten Komponenten sind aus einem Material definierter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit hergestellt. Die Anordnung der ersten und zweiten Komponenten der Wärmetauscherbaugruppe erfolgt in der Weise, dass sich wenigstens eine erste und eine zweite Komponente der Wärmetauscherbaugruppe in der Art berühren, dass der Austausch von thermischer und/oder elektrischer Energie begünstigt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Komponente der Wärmetauscherbaugruppe ein Gitter, das aus metallischen und/oder synthetischen Materialien hergestellt wird.
Unter "Gitter" wird im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Geflecht aus metallischem und/oder synthetischem Material verstanden, welches Öffnungen aufweist, die regelmäßig oder unregelmäßig über die Hauptausdehnungsrichtungen des Gitters verteilt sind und welche im wesentlichen durch den Abstand der einzelnen fadenförmigen Grundelemente. Als Grundelemente können beispielsweise Drähte mit einem vorgegebenen Querschnittsdurchmesser vorgesehen sein.
Ferner ergibt sich durch die Zahl der verwendeten Drähte, deren Durchmesser und der Gitterstruktur eine vorgegebene geschlossene Fläche. Dieser geschlossenen Fläche steht ferner eine sogenannte offene Fläche gegenüber. Sie ergibt sich aus der Differenz der strömungsseitigen Oberfläche des Wärmetauschers und der offenen Fläche des Wärmetauschergitters.
Ferner kann das Gitter auch im Sinne eines Gewebes oder Geflechtes verstanden werden, wobei auch gelegte Strukturen im Sinne der vorliegenden Erfindung als Gewebe oder Geflecht verstanden werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Gitter mit wenigstens einem Teil des Rahmenelements elektrisch leitend verbunden. Diese Verbindung wird entweder durch Kontakt der Oberflächenstrukturen des Gitters mit der Aufnahmeeinrichtung oder durch die Verwendung eines leitenden Verbindungsmittels erreicht.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Verbindung zwischen der Aufnahmeeinrichtung und den Gittern mit einer Schweißverbindung, einer Klebverbindung, einer Lötverbindung und/oder Schraub-/Nietverbindung erreicht.
Das die Wärmetauscherbaugruppe umströmende Medium ist vorzugsweise ein gasförmiges oder flüssiges Medium. Besonders bevorzugt ist, dass das die Wärmetauscherbaugruppe umströmende Medium Luft ist, welche in einem Kraftfahrzeug in dessen Fahrzeuginnenraum gefördert wird, um diesen zu temperieren.
Um die erste und die zweite Komponente der Wärmetauscherbaugruppe miteinander berührend zu verbinden, ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine dritte Komponente vorgesehen, welche die beiden Komponenten der Wärmetauscherbaugruppe in einer vorgegebenen Position miteinander verbindet und auch die Übertragung von elektrischer und/oder thermischer Energie in einem vorgegebenen Umfang bereitstellt.
Die Übertragung von elektrischer und/oder thermischer Energie im Sinne der vorliegenden Erfindung kann entweder durch eine direkte Berührung der ersten und zweiten Komponente erfolgen, wobei maßgeblich deren Oberflächenstruktur und Berührungspunkte zum Austauschen der Energie dienen. Ferner kann die Berührung der beiden Komponenten indirekt über die fixierende dritte Komponente erfolgen. Auch eine Kombination der beiden Übertragungswege ist im Sinne der vorliegenden Erfindung.
Solch eine dritte Komponente kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verbindungselement wie beispielsweise ein Klebstoff, eine Schweißnaht oder eine Lötstelle sein. Ferner ist im Sinne der vorliegenden Erfindung auch eine dritte Komponente, welche als mechanisches Befestigungselement ausgeführt ist und die Komponenten reib- und/oder formschlüssig miteinander verbindet. Dies kann insbesondere eine Klemmvorrichtung, eine Verschraubung und/oder eine Nietverbindung etc. sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die erste Komponente der Wärmetauscherbaugruppe in bezug auf die Hauptströmungsrichtung des umströmenden Mediums mit einem vorgegebenen Winkel angeordnet.
Als Hauptströmungsrichtung wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Strömungsrichtung eines Mediums verstanden, welche im wesentlichen durch die innere Begrenzung eines Strömungsweges oder -kanals bestimmt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Ausrichtung der ersten Komponente in bezug auf das umströmende Medium durch die vorgegebene Wärmeübertragung zwischen dem elektrischen Heizelement und dem umströmenden Medium und/oder dem Druckabfall des durchströmenden Mediums festgelegt. Beispielhaft sei hierzu angeführt, dass die elektrischen Heizelemente, die im wesentlichen eine flächige Grundform besitzen, um eine maximale Wärmeübertragung zu erreichen, mit der Hauptausdehnungsrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet werden. Es ist auch im Sinne der vorliegenden Erfindung, die PTC-Elemente mit einem vorgegebenen Winkel zwischen 0 Grad und 90 Grad im Luftstrom anzuordnen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dient die zweite Komponente dazu, eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Komponente, insbesondere dem elektrischen Heizelement und einer Spannungsquelle, bereitzustellen.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die erste Komponente zwischen zwei zweite Komponenten angeordnet und mit diesen so verbunden wird, dass der Austausch von elektrischer und thermischer Energie ermöglicht wird. In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden beispielsweise drei Gitter (zweite Komponenten) und zwei elektrische Heizelemente (erste Komponente) alternierend angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht es, die elektrische Verbindung zwischen den Heizelementen und der Spannungsquelle mit einer möglichst geringen Zahl von Kontaktstellen bereitzustellen. Insbesondere bei der zuvor beschriebenen Anordnung ist es möglich, mehrere Heizelemente einer Reihe mittels einer Klemmstelle zusammenzufassen, ohne jedoch die getrennte Ansteuerung der einzelnen Reihen einzubüßen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Wärmetauscherbaugruppe eine rahmenförmige Aufnahmeeinrichtung auf, die wenigstens aus zwei seitlichen Rahmenschenkeln und wenigstens einem oberen und unteren Rahmenschenkel besteht. Diese Rahmenschenkel, die in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind, spannen eine Fläche auf, innerhalb welcher die Wärmetauscherbaugruppe oder die Wärmetauscherbaugruppen gehalten werden.
Es liegt auch im Sinne der vorliegenden Erfindung, die einzelnen Wärmetauscherbaugruppen in der Art miteinander zu kombinieren, dass eine vorgegebene Wärmemenge an den vorbeiströmenden Luftstrom abgegeben werden kann. Insbesondere stellt die Erfindung eine Wärmetauscherbaugruppe zur Verfügung, die unter anderem aufgrund der geringen Bautiefe, auch mehrfach in einem oder mehreren Strömungswegen angeordnet werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Rahmenschenkel so gestaltet, dass zwischen einer damit in Berührung stehenden zweiten Komponente ein elektrisch leitender Kontakt bereitgestellt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein weiterer Rahmenschenkel so gestaltet, dass eine getrennte Kontaktierung der elektrischen Heizelemente und der zweiten Komponenten erfolgen kann. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass beispielsweise der obere Rahmenschenkel aus einem nicht leitenden, das heißt isolierenden, Material hergestellt oder mittels eines solchen Materials beschichtet ist. Die Verbindung zur Stromquelle oder Steuereinheit erfolgt über einzelne Kontaktstellen.
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 geleitet wird, beheizt. Die Klimaanlage weist überdies vorzugsweise einen Kompressor, Kondensator, Trockner, Sammler, ein Expansionsventil und einen Verdampfer auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Vorrichtung vorzugsweise in den Strömungskanal des Lüftungssystems einer Klimaanlage eingebracht werden, wobei neben einem einflutigen Strömungskanal insbesondere auch mehrflutige Strömungskanäle verwendet werden können. Hierbei können in einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung die unterschiedlichen Luftströme des mehrflutigen Strömungskanals auf unterschiedliche und unabhängige Art und Weise beheizt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme kann zum Beheizen von in den Innenraum eines Kraftfahrzeuges geleiteter Luft verwendet werden. Die Vorrichtung kann hierbei zusätzlich zu einem üblicherweise verwendeten Wärmetauscher in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden und ist dabei vorzugsweise so lange 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.
Eine weitere Anwendung findet die erfindungsgemäße Vorrichtung in Kraftfahrzeugen mit niedrigem Kraftstoffverbrauch deren Motor so wenig Verbrennungswärme produziert, 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 Austauschen von Wärme zu verwenden.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2a
eine schematische Darstellung einer Wärmetauscherbaugruppe mit einer Aufnahmeeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2b
eine schematische Seitenansicht einer Wärmetauscherbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2c
eine perspektivische Darstellung einer Wärmetauscherbaugruppe mit einer Aufnahmeeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Wärmetauscherbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3b
eine Draufsicht der schematisierten Darstellung aus Fig. 3a;
Fig. 3c
eine Seitenansicht der Darstellung einer Wärmetauscherbaugruppe aus Fig. 3a;
Fig. 3d
eine perspektivische Darstellung der Wärmetauscherbaugruppe aus Fig. 3a.
Die nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers gemäß dem Stand der Technik, dessen Heizelemente 1 zwischen Kontaktblechen 2 und hieran anschließenden Kühlrippen 3 angeordnet sind. Ferner zeigt die Figur die Anordnung mehrerer Heizelemente in einen Einbaurahmen 4, in welchem die Kühlrippen 3, Kontaktbleche 2 und Heizelemente mittels einer Feder 5 innerhalb des Rahmens verspannt werden.
Fig. 2a zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmetauscherbaugruppe 21, die in einer Aufnahmeeinrichtung 22, 25 angeordnet ist und eine besondere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Seitenansicht der Wärmetauscherbaugruppe ist gemäß der vorliegenden Erfindung im Strömungskanal eines Lüftungssystems für Kraftfahrzeuge so angeordnet, daß die von der Wärmetauscherbaugruppe aufgespannte Ebene im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des zu erwärmenden Mediums angeordnet ist.
Die Wärmetauscherbaugruppe selbst ist aus vier gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vertikal angeordneten Reihen von elektrischen Heizelementen 23 aufgebaut, die wenigstens an einem Kontaktpunkt 24, 24', 24", 24"' mit den horizontal verlaufenden Klemmleisten 25 der Aufnahmeeinrichtung verbunden sind. Die einzelnen Reihen von Heizelementen sind gemäß dem vorliegendem Ausführungsbeispiel jeweils auf einem Gitter 26, 26', 26", 26"' und einem weiteren Gitter 27 angeordnet. Die Gitter 26, 26', 26", 26"' verbindet die Heizelemente auf einer Seite bandartig miteinander. Das auf der gegenüberliegenden Seite des Heizelementes angeordnete Gitter 27 ist mit dem Rahmen 28 der Aufnahmeeinrichtung elektrisch leitend verbunden und schließt über die Kontaktstelle 31 den Stromkreis zwischen einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) und den Heizelementen 23.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die äußere Aufnahmeeinrichtung im wesentlichen in zwei Rahmenelemente 25, 28 unterteilt, wobei das erste Rahmenelement 28 im wesentlichen U-förmig gestaltet ist und aus einem leitenden Material hergestellt ist. Die Aufnahmeeinrichtung wird wenigstens in eine Richtung durch das Rahmenelement 25 abgegrenzt, an welchem beispielsweise die Kontaktleiste und die Kontaktstellen 24, 24', 24", 24'" für die einzelnen Heizelementreihen 26, 26', 26", 26"' angeordnet sind.
Fig. 2b zeigt die Seitenansicht der Wärmetauscherbaugruppe mit einer Aufnahmeeinrichtung aus Fig. 2a, wobei neben den Kontaktstellen 31 und der Zuleitung 29 im wesentlichen das Rahmenelement 28 zu erkennen ist, welches aufgrund der gewählten Ausführungsform und dem Einsatz eines Gitters eine geringe Bautiefe aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Bautiefe b 1 bis 15 mm, bevorzugt 2 bis 10 mm und besonders zwischen 3 bis 8 mm.
Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist die Wärmetauscherbaugruppe in einem Strömungskanal derart angeordnet, daß, wie durch den Pfeil 30 symbolisiert, die Hauptströmungsrichtung des durchströmenden Mediums senkrecht durch die Ebene des Wärmetauschers hindurch verläuft.
Fig. 2c zeigt eine perspektivische Darstellung der Wärmetauscherbaugruppe gemäß Fig. 2a. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Heizelemente 23, das Gitter 26, 26', 26", 26'" und 27 und die Aufnahmeeinrichtung 22 im wesentlichen in einer Ebene angeordnet, die in ihrer Tiefe im wesentlichen durch die Bautiefe der Aufnahmeeinrichtung 22 bestimmt wird. Die Verbindung der Heizelementreihen, der Kontaktleiste 25 und der Aufnahmeeinrichtung erfolgt gemäß der vorliegenden Ausführungsform mittels einer Schraubverbindung oder anderer geeigneter Befestigungsmittel.
Die leitende Verbindung der Heizelemente mit den Gittern 26, 26', 26", 26"' und 27 erfolgt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch ein Verkleben der Bauelemente miteinander. Bevorzugt wird hierzu ein Silikonkleber verwendet, der es ermöglicht, einerseits den durch die Oberflächen der Bauelemente hervorgerufenen Kontakt zu fixieren und andererseits die Leitung von thermischer und elektrischer Energie zu ermöglichen.
Fig. 3a zeigt eine weitere Ausführungsform einer Wärmetauscherbaugruppe mit einer Aufnahmeeinrichtung, welche ebenfalls aus den Grundelementen eines ersten Aufnahmerahmens 48, bestehet aus drei Einzelelementen 45', 48, 48', der im wesentlichen U-förmig ausgeführt ist, und einer weiteren Rahmeneinheit 45, welche als Kontaktleiste für die Kontaktstellen der Heizelementreihen 44, 44', 44", 44"' ausgeführt ist. Entsprechend dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel sind auch die in Fig. 3a dargestellte Heizelemente in einzelne Reihen untergliedert, welche zwischen zwei Gittern 46, 46', 46", 46"' und 47 angeordnet sind. Die Gitter 46, 46', 46", 46"' verbindet die Heizelemente mit der Kontaktstelle, welche an der Kontaktleiste angeordnet ist und sich im wesentlichen bandförmig vom unteren Bereich der Wärmetauscherbaugruppe zur Kontaktleiste hin erstreckt. Diesem gegenüber ist ein flächig ausgedehntes Gitter 47 angeordnet, welches, wie zuvor beschrieben, die Heizelemente mit dem U-förmig gestalteten Rahmenelement der Aufnahmeeinrichtung verbindet. An dem Gitter 47 sind die einzelnen Reihen der Heizelemente, welche in Gruppen getrennt an der Kontaktleiste 45 befestigt sind, über den die Kontaktstelle 51 mit einer Stromquelle (nicht dargestellt) verbunden.
Gemäß der Ausführungsform aus Fig. 3a sind die Heizelemente nicht senkrecht zur Hauptströmungsrichtung der Luft angeordnet, sondern in einem vorgegebenen Winkel bezüglich der selben angeordnet.
Wie aus Fig. 3c zu erkennen ist, ergibt sich dieser Winkel α aus der Hauptströmungsrichtung des Mediums 50 und der durch das Heizelement aufgespannt Ebene. Der Winkel liegt gemäß der vorliegenden Ausführungsform zwischen 15 und 90 Grad, bevorzugt zwischen 25 und 75 Grad und besonders bevorzugt zwischen 35 und 50 Grad.
Durch diese Anordnung wird im Vergleich zu der von Ihnen dargestellten Ausführungsform der Strömungswiderstand der Heizeinrichtung für das zu erwärmende Medium reduziert.
Die Darstellung 3c zeigt ferner die Kontaktstellen für die Heizelemente 44, 44', 44", 44'" mit dem Rahmen der Aufnahmeeinrichtung, wobei gemäß der vorliegenden Ausführungsform insbesondere eine stromleitende Verbindung zwischen den Rahmenelementen und der Stromquelle durch eine Schraubverbindung erreicht wird.
In der vorliegende Ausführungsform ist die Kontaktsleiste 45 in der Art gestaltet, daß die einzelnen Heizreihen gemeinsam über den Anschluß 49 und 52 mit der Stromquelle verbunden sind. In die elektrische Trennung der Kontaktleiste 45 mit den Rahmenschenkel 48 und 48' erfolgt durch ein elektrisch isolierendes Medium, welches beispielsweise zwischen den Flächen der Rahmenschenkel angeordnet ist.
Fig. 3b zeigt die Seitenansicht der Wärmetauscherbaugruppe aus der Fig. 3a, wobei neben den elektrischen Leitungen 49 und der Kontaktstelle 44, das Rahmenelement 48 und Teile des Wärmetauschergitters 46 zu erkennen sind.
Fig. 3d zeigt die perspektivische Darstellung einer Wärmetauscherbaugruppe, deren Heizelemente in dem vorgegebenen Winkel in Bezug auf die Strömungsrichtung der Luft angeordnet sind. Die beiden Rahmenelemente 45, 45' der Aufnahmeeinrichtung sind dem jeweils vorgegebenen Winkel der Heizelemente angepaßt und zeigen eine annäherungsweise wellenförmige Grundstruktur, die Abschnittsweise senkrecht zur Hauptströmungsrichtung angeordnet ist. Die Verbindung der Rahmenelemente erfolgt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels Schraubverbindung, wobei die Kontaktleiste 45 so gestaltet ist, daß kein elektrischer Strom zwischen dem Rahmenelement 45 und den Rahmenelementen 41, 44 geleitet wird.
Dies kann beispielsweise durch die Ausführung in einem nicht leitenden Material oder mittels einer nicht leitenden Oberflächenbeschichtung des Rahmenelementes erfolgen.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Heizelemente, die zwischen dem bandartigen Gitter 46 und dem Gitter 47 angeordnet sind, durch den Einsatz eines Silikonklebers so verbunden, daß die Leitung von elektrischer und thermischer Energie zwischen den angrenzenden Oberflächen des Heizelements und des Kühlgitters in einem vorgegebenen Umfang erfolgt.

Claims (17)

  1. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Wärmetauscherbaugruppe (21), wobei diese Wärmetauscherbaugruppe wenigstens eine erste Komponente (23) aufweist, welche mit einer elektrischen Stromquelle verbunden ist und deren Temperatur sich in Abhängigkeit eines durch die Komponente fließenden elektrischen Stromes ändert, und wenigstens einer zweiten Komponente (26; 27) zum Austausch von Wärme mit dem die Wärmetauscherbaugruppe umströmenden Medium aufweist, und wobei die Wärmetauscherbaugruppe in einer Aufnahmeeinrichtung angeordnet ist, wobei sich wenigstens die erste und eine zweite Komponente der Wärmetauscherbaugruppe berühren und die Berührung der Komponenten den Austausch von thermischer und/oder elektrischer Energie begünstigt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (26, 27) der Wärmetauscherbaugruppe ein Gitter ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Gitter aus metallischen und/oder synthetischen Materialen hergestellt wird.
  3. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Komponente vorgesehen ist, welche wenigsten zwei Komponenten der Wärmetauscherbaugruppe in der Art miteinander verbindet, das sowohl eine vorgegebene Position der Komponenten zueinander bestimmt wird, als auch eine Übertragung von elektrischer und/oder thermischer Energie in einem vorgegebenen Umfang erreicht wird.
  4. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Komponente ein Verbindungselement, insbesondere ein Klebstoff, eine Schweißnaht oder eine Lötstelle ist.
  5. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Komponente ein mechanisches Befestigungselement, insbesondere ein reib- und/oder formschlüssiges Verbindungselement ist.
  6. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente der Wärmetauscherbaugruppe (23) in bezug auf die Hauptströmungsrichtung des umströmenden Mediums mit einem vorgegebenen Winkel (α) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung der ersten Komponente (23) in bezug auf das umströmende Medium insbesondere in Abhängigkeit von der vorgegebenen Wärmeübertragung und/oder des Druckabfalls des umströmenden Mediums festgelegt wird.
  8. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente der Wärmetauscherbaugruppe (23) ein Heizelement mit einem positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Heizelement) ist.
  9. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente (26, 27) dazu dient, eine elektrische Verbindung zwischen der ersten Komponente und einer Spannungsquelle bereit zu stellen.
  10. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente der Wärmetauscherbaugruppe (23) zwischen zwei einander gegenüberliegenden zweiten Komponenten (26, 26', 26", 26"', 27) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das sie Anordnung der Komponenten zueinander so gewählt wird, das die elektrische Verbindung zwischen der ersten Komponente und der Spannungsquelle mit einer möglichst geringen Zahl von Kontaktstellen (24, 31) erfolgt.
  12. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherbaugruppe eine rahmenförmige Aufnahmeeinrichtung aufweist, die wenigstens zwei seitliche Rahmenschenkel (48, 48') und wenigstens einen oberen und einen unteren Rahmenschenkel (45, 45'), die in einem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet sind, aufweist, innerhalb der hiervon aufgespannten Fläche die Wärmetauscherbaugruppen gehalten werden.
  13. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwischen einem Rahmenschenkel (45, 45', 48, 48') und einer zweiten Komponente (43, 46) ein elektrisch leitender Kontakt besteht.
  14. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens ein Rahmenschenkel keine elektrische Energie leitet.
  15. Vorrichtung zum Austausch von Wärme nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Komponente in eine Vielzahl von unabhängigen Heizungszonen teilbar ist, vorteilhaft in zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Zonen teilbar ist.
  16. Vorrichtung zum Austausch von Wärme nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Komponente in unabhängig steuerbare Anteile aufteilbar ist, die jeweils stufenlos oder mehrstufig regelbar oder steuerbar sind.
  17. Einrichtung zum Heizen von Luft, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit Luftströmungswegen, Luftströmungssteuerelementen und wenigstens einer Luftfördereinrichtung und einem Gehäuse, welches zur Aufnahme wenigstens einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme, gemäss wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche vorbereitet ist oder innerhalb dessen eine solche Vorrichtung zum Austausch von Wärme angeordnet ist.
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