DE102011054406B4

DE102011054406B4 - Electric heating device for heating liquids

Info

Publication number: DE102011054406B4
Application number: DE201110054406
Authority: DE
Inventors: Ralph Wächter; Michael Störzinger; Bernd Halbrock; Alexander Dauth
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-05-23
Anticipated expiration: 2031-10-13
Also published as: DE102011054406A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Flüssigkeiten, mit wenigstens einem Heizstab (5), der wenigstens ein Widerstandsheizelement aufweist, einem Gehäuse (1), das den Heizstab (5) umgibt und das eine Einlassöffnung (2) und eine Auslassöffnung (2) aufweist, wobei die Einlassöffnung (2) und die Auslassöffnung (2) durch einen gewundenen Strömungskanal miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Strömungskanal eine Wendel bildet, die eine Längsachse aufweist, wobei der Heizstab (5) neben der Längsachse der Wendel angeordnet ist und an mehreren Stellen durch eine wendelförmig gewundene Wand des Strömungskanals hindurchragt.The invention relates to an electrical heating device for heating liquids, comprising at least one heating element (5) having at least one resistance heating element, a housing (1) surrounding the heating element (5) and having an inlet opening (2) and an outlet opening (2 ), wherein the inlet opening (2) and the outlet opening (2) are interconnected by a tortuous flow channel. According to the invention, it is provided that the flow channel forms a helix which has a longitudinal axis, wherein the heating rod (5) is arranged next to the longitudinal axis of the helix and protrudes at several points through a helically wound wall of the flow channel.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Flüssigkeiten. Derartige Heizvorrichtungen werden in Fahrzeugen beispielsweise zum Erwärmen von Wasser oder wässrigen Glykolgemischen benötigt.The invention relates to an electric heater for heating liquids. Such heaters are needed in vehicles, for example for heating water or aqueous glycol mixtures.

Die GB 2 298 478 A offenbart eine elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Flüssigkeiten mit U-förmigen Heizstäben, die jeweils wenigstens ein Widerstandsheizelement aufweisen, einem Gehäuse, das die Heizstäbe umgibt und das eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist. Die Einlassöffnung und die Auslassöffnung sind dabei durch einen gewundenen Strömungskanal miteinander verbunden, der eine Wendel bildet, die eine Längsachse aufweist. Die Heizstabe sind jeweils neben der Längsachse der Wendel angeordnet.The GB 2 298 478 A discloses an electric heating device for heating liquids with U-shaped heating bars, each having at least one resistance heating element, a housing surrounding the heating elements and having an inlet opening and an outlet opening. The inlet opening and the outlet opening are connected to each other by a tortuous flow channel, which forms a helix having a longitudinal axis. The heating rods are each arranged next to the longitudinal axis of the helix.

Die DE 195 24 683 A1 offenbart eine elektrische Heizvorrichtung zum Beheizen von Flüssigkeiten mit einem wendelförmigen Strömungskanal, der Heizstäbe umgibt.The DE 195 24 683 A1 discloses an electric heater for heating liquids having a helical flow channel surrounding heating rods.

Aus der JP-109 943 U und der FR 2 634 090 A1 sind Heizeinrichtungen mit einem PTC-Elemente enthaltenden Heizstab bekannt, dessen Längsachse mit der eines wendelförmigen Strömungskanals zusammenfällt.From the JP-109 943 U and the FR 2 634 090 A1 are known heaters with a PTC elements heating rod whose longitudinal axis coincides with that of a helical flow channel.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie eine elektrische Heizvorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten geschaffen werden kann, die den von Fahrzeugherstellern gesetzten Anforderungen kostengünstig gerecht wird.Object of the present invention is to show a way how an electric heater for heating liquids can be created, which meets the requirements set by vehicle manufacturers cost.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Heizvorrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by an electric heater having the features specified in claim 1. Advantageous developments of the invention are the subject of dependent claims.

Bei einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung bildet der Strömungskanal eine Wendel, die eine Längsachse aufweist, wobei der Heizstab neben der Längsachse der Wendel angeordnet ist. Die Wendel ist bevorzugt als eine Schraube ausgebildet, d. h. hat bevorzugt eine konstante Ganghöhe, da dies die Fertigung vereinfacht. Eine konstant gleich bleibende Ganghöhe ist aber nicht erforderlich. An sich kann der Strömungskanal auch als eine unregelmäßige Wendel ausgebildet sein, bei der sich die Wendelsteigung zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung der Heizvorrichtung ändert. Erfindungsgemäß ragt der wenigstens eine Heizstab an mehreren Stellen durch eine wendelförmige gewundene Wand des Strömungskanals hindurch. Wenn die Wendel als eine Schraube ausgebildet ist, durchsetzt der Heizstab also die Flanken der Schraube. Bevorzugt ist der Heizstab parallel zur Längsachse der Wendel angeordnet. Er kann mit der Längsachse der Wendel aber auch einen spitzen Winkel einschließen.In a heating device according to the invention, the flow channel forms a helix which has a longitudinal axis, wherein the heating rod is arranged next to the longitudinal axis of the helix. The helix is preferably formed as a screw, d. H. preferably has a constant pitch, as this simplifies the production. A constantly constant pitch is not required. As such, the flow channel may also be formed as an irregular helix in which the spiral pitch between the inlet opening and the outlet opening of the heating device changes. According to the invention, the at least one heating element protrudes at several points through a helical coiled wall of the flow channel. If the coil is designed as a screw, the heating element thus passes through the flanks of the screw. Preferably, the heating element is arranged parallel to the longitudinal axis of the helix. He may also include an acute angle with the longitudinal axis of the helix.

Der wendelförmig gewundene Strömungskanal einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung führt zu einem vorteilhaft kompakten Aufbau. Da der Strömungskanal mehrmals an jedem Heizstab vorbeiführt, wird eine sehr gute Wärmeabgabe erreicht. Die benötigte Heizleistung kann durch die Anzahl der verwendeten Heizstäbe problemlos innerhalb weiter Grenzen an gegebene Anforderungen angepasst werden. Vorteilhaft können für eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung Heizstäbe verwendet werden, die beispielsweise auch für Heizer von Fahrzeugklimaanlagen gebräuchlich sind. Dies ermöglicht eine kostengünstige Fertigung.The helically wound flow channel of a heating device according to the invention leads to an advantageously compact construction. Since the flow channel passes several times on each heating element, a very good heat dissipation is achieved. The required heating power can be easily adjusted within a wide range of requirements by the number of heating elements used. Heating rods can advantageously be used for a heating device according to the invention, which are for example also common for heaters of vehicle air conditioners. This allows a cost-effective production.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Strömungskanal von Strömungsleitelementen gebildet ist, die in dem Gehäuse aufeinander angeordnet sind, jeweils einen Teil einer Schraube bilden und Aussparungen für den Heizstab oder die Heizstäbe aufweisen. Derartige Strömungsleitelemente können beispielsweise aufeinander gesteckt werden, um einen Strömungskanal der gewünschten Länge auszubilden. Bevorzugt wird der Strömungskanal dann von den Strömungsleitelementen und einer zylindrischen Umfangswand, welche die Strömungsleitelemente umgibt, begrenzt. Geeignete Strömungsleitelemente können beispielsweise aus Kunststoff kostengünstig hergestellt werden. Bevorzugt ist, dass jedes Strömungsleitelement eine Windung der Schraube bildet. Dies führt zu einer besonders einfachen Fertigung. Bevorzugt bilden die Strömungsleitelemente eine Schraube mit einem eingängigen Gewinde.An advantageous development of the invention provides that the flow channel is formed by flow guide, which are arranged in the housing, each forming a part of a screw and have recesses for the heating element or the heating elements. Such flow guide elements can for example be plugged onto each other to form a flow channel of the desired length. Preferably, the flow channel is then bounded by the flow guide elements and a cylindrical peripheral wall which surrounds the flow guide elements. Suitable flow guide elements can be produced inexpensively, for example, from plastic. It is preferred that each flow guide forms one turn of the screw. This leads to a particularly simple production. Preferably, the flow guide form a screw with a catchy thread.

Die Aussparungen der Strömungsleitelemente erstrecken sich in radialer Richtung bevorzugt weniger weit als die betreffende Flanke bzw. Wand des Strömungsleitelements. Beispielsweise können die Aussparungen als Löcher ausgebildet sein. Die Aussparungen können aber auch zum Rand des Strömungsleitelements, d. h. zum Gehäuse hin, offen sein, so dass die Heizstäbe an der Innenseite des Gehäuses anliegen.The recesses of the flow guide elements preferably extend less far in the radial direction than the relevant flank or wall of the flow guide element. For example, the recesses may be formed as holes. But the recesses can also to the edge of the flow guide, d. H. towards the housing, be open, so that the heating elements abut the inside of the housing.

Wenn der Heizstab oder die Heizstäbe an einer Innenseite des Gehäuses anliegen, strömt eine zu erwärmende Flüssigkeit nur auf einer Seite an den Heizstäben vorbei. Bevorzugt sind der oder die Heizstäbe so angeordnet, dass die zu erwärmende Flüssigkeit in dem Strömungskanal auf zwei Seiten, nämlich sowohl radial innen als auch radial außen, an dem Heizstab vorbeiströmen kann. Mit anderen Worten bildet der Heizstab also ein Strömungshindernis, an dem ein Teil des Strömungskanals radial innen und ein weiterer Teil des Strömungskanals radial außen vorbeiführt. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Wärmeabgabe erreicht.When the heating element or the heating elements abut on an inner side of the housing, a liquid to be heated flows past the heating elements only on one side. Preferably, the heating element or rods are arranged so that the liquid to be heated in the flow channel on two sides, namely both radially inward and radially outward, can flow past the heating element. In other words, the heating element thus forms a flow obstruction, on which a part of the flow channel radially inward and another part of the flow channel radially outside passes. In this way, a particularly efficient heat dissipation is achieved.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Widerstandsheizelemente PTC Elemente verwendet werden, insbesondere keramische PTC Elemente, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat. Bevorzugt ist jeder Heizstab als ein Vierkantrohr ausgebildet, in dem wenigstens ein als PTC Element ausgebildetes Widerstandsheizelement angeordnet ist. Die Heizelemente sind in einem solchen Heizstab durch das Vierkantrohr vor der zu erwärmenden Flüssigkeit vorteilhaft geschützt.An advantageous development of the invention provides that PTC elements are used as resistance heating elements, in particular ceramic PTC elements, for example based on barium titanate. Each heating element is preferably designed as a square tube, in which at least one resistance heating element designed as a PTC element is arranged. The heating elements are advantageously protected in such a heating element by the square tube in front of the liquid to be heated.

Ein oder mehrere PTC Elemente können in einem Vierkantrohr von einem Montagerahmen gehalten werden, der bevorzugt auch wenigstens ein Anschlussblech hält, das aus dem Vierkantrohr herausragt und das PTC Element oder die PTC Elemente kontaktiert. Die Vierkantrohre können nach dem Einbringen der PTC Elemente verpresst werden, um eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Geeignete Montagerahmen sind beispielsweise in der DE 10 2009 035 837 A1 bekannt.One or more PTC elements can be held in a square tube by a mounting frame, which preferably also holds at least one connection plate, which protrudes from the square tube and the PTC element or contacts the PTC elements. The square tubes can be crimped after insertion of the PTC elements to achieve improved thermal conductivity. Suitable mounting frames are for example in the DE 10 2009 035 837 A1 known.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Heizstäbe an einem ihrer Enden oder an beiden Ende in Vergussmasse eingebettet sind. Die Vergussmasse kann dazu dienen, das Gehäuse abzudichten oder beispielsweise um Heizstäbe und Strömungsleitelemente zu einer gut handhabbaren Einheit zu verbinden. Alternativ oder zusätzlich können die Heizstäbe an ihren Enden auch verschweißt sein.A further advantageous embodiment of the invention provides that the heating elements are embedded at one of their ends or at both ends in potting compound. The potting compound can serve to seal the housing or, for example, to connect heating elements and flow guide to a well-manageable unit. Alternatively or additionally, the heating elements may also be welded at their ends.

Aus den Heizstäben herausragende Anschlussbleche können vorteilhaft in Schlitzen einer Schaltungsträgerplatte stecken, die beispielsweise in einem Fortsatz oder Aufsatz eines bevorzugt zylindrischen Gehäuses angeordnet sein kann und eine Steuerungselektronik tragen kann. Schaltungsträgerplatten werden manchmal auch als Leiterplatten oder Platinen bezeichnet.From the heating rods outstanding terminal plates can advantageously plug into slots of a circuit board, which can be arranged for example in an extension or attachment of a preferably cylindrical housing and can carry a control electronics. Circuit boards are sometimes referred to as circuit boards or boards.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will be explained with reference to an embodiment with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung; 1 an embodiment of a heating device according to the invention;

2 eine Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten Heizvorrichtung; 2 an exploded view of in 1 shown heater;

3 eine Schnittansicht zu 1; 3 a sectional view too 1 ;

4 ein einzelnes Strömungsleitelement von 2; und 4 a single flow guide of 2 ; and

5 den Strömungskanal mit Heizstäben ohne Gehäuse. 5 the flow channel with heating rods without housing.

Die in den 1 bis 3 dargestellte elektrische Heizvorrichtung dient zum Beheizen von Flüssigkeiten in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise zum Beheizen von Wasser. Die Heizvorrichtung hat eine Gehäuse 1, das zwei Öffnungen 2, nämlich eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist. Die Einlassöffnung und die Auslassöffnung sind in dem Gehäuse 1 durch einen Strömungskanal verbunden, der sich schraubenförmig um eine Längsachse des zylindrischen Gehäuses 1 windet. Der Verlauf des Strömungskanals wird durch Strömungsleitelemente 3 vorgegeben, die in dem Gehäuse 1 aufeinander liegen. Ein solches Strömungsleitelement 3 ist inThe in the 1 to 3 illustrated electric heater is used for heating liquids in a motor vehicle, for example, for heating water. The heater has a housing 1 that has two openings 2 , namely an inlet opening and an outlet opening. The inlet opening and the outlet opening are in the housing 1 connected by a flow channel, which extends helically about a longitudinal axis of the cylindrical housing 1 winds. The course of the flow channel is through flow guide elements 3 specified in the housing 1 lie on one another. Such a flow guide 3 is in

4 dargestellt. 5 zeigt die aufeinander gesteckten Strömungsleitelemente 3 und somit den Verlauf des Strömungskanals ohne das Gehäuse 1. 4 shown. 5 shows the stacked flow guide 3 and thus the course of the flow channel without the housing 1 ,

Die Strömungsleitelemente 3 bilden jeweils eine Windung einer Schraube mit einem eingängigen Gewinde. Der Strömungskanal verläuft zwischen den Flanken dieser Schraube. Die Flanken der Schraube bildenden also eine wendelförmig gewundene Wand des Strömungskanals.The flow guide elements 3 each form a turn of a screw with a catchy thread. The flow channel runs between the flanks of this screw. The flanks of the screw thus form a helically wound wall of the flow channel.

Wie 4 zeigt, haben die Strömungsleitelemente 3 Aussparungen 4 für insbesondere in 2 dargestellte Heizstäbe 5. Die Heizstäbe 5 sind in der Heizvorrichtung neben der Längsachse der Schraube angeordnet und ragen an mehreren Stellen durch die wendelförmig gewundene Wand des Strömungskanals hindurch, nämlich durch die Flanke jeder Windung der von den Strömungsleitelementen 3 gebildeten Schraube.As 4 shows, have the flow guide 3 recesses 4 for in particular in 2 illustrated heating rods 5 , The heating elements 5 are arranged in the heating device next to the longitudinal axis of the screw and protrude at several points through the helically wound wall of the flow channel, namely through the flank of each turn that of the flow guide 3 formed screw.

Die Heizstäbe 5 können als Vierkantrohre mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sein, in denen jeweils ein nichtdargestelltes PTC Element oder mehrere PTC Elemente als Widerstandsheizelemente angeordnet sind. Die PTC Elemente können in den Heizstäben 5 von einem nicht gezeigten Montagerahmen gehalten werden, der auch wenigstens ein Anschlussblech 6 hält, das die Heizelemente kontaktiert und aus dem Heizstab 5 herausragt. Wenn das Vierkantrohr selbst als Masseanschluss verwendet wird, genügt ein einziges Anschlussblech 6. Ansonsten können zwei Anschlussbleche 6 verwendet werden, die jeweils gegenüber dem Vierkantrohr elektrisch isoliert sind und aus dem Heizstab 5 herausragen.The heating elements 5 may be formed as square tubes with rectangular cross-section, in each of which a not shown PTC element or several PTC elements are arranged as resistance heating elements. The PTC elements can be in the heating rods 5 are held by a mounting frame, not shown, which also has at least one connecting plate 6 holding, which contacts the heating elements and from the heating element 5 protrudes. If the square tube itself is used as a ground connection, a single connection plate is sufficient 6 , Otherwise, two connection plates 6 used, which are each electrically isolated from the square tube and from the heating element 5 protrude.

Die Heizstäbe 5 haben bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt mit zwei Schmalseiten und zwei Längsseiten. Die Längsseiten sind bevorzugt schräg zur radialen Richtung der von den Strömungsleitelementen 3 gebildeten Schraube angeordnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Heizstäbe 5 in Umfangsrichtung einheitlich orientiert, um günstige Strömungsverhältnisse in dem wendelförmig verlaufenden Strömungskanal zu bewirken. Wie 4 zeigt, können die Heizstäbe 5 sowohl radial innen als auch radial außen von der zu erwärmenden Flüssigkeit umströmt werden.The heating elements 5 preferably have a rectangular cross section with two narrow sides and two long sides. The longitudinal sides are preferably oblique to the radial direction of the flow guide elements 3 arranged screw arranged. In the illustrated embodiment, the heating elements 5 uniformly oriented in the circumferential direction to cause favorable flow conditions in the helically extending flow channel. As 4 shows, the heating elements can 5 flows around both radially inward and radially outward of the liquid to be heated.

Die Heizstäbe 5 können an einem oder auch an beiden Enden in Vergussmasse 7 eingebettet sein, beispielsweise um die Strömungsleitelemente 3 und die Heizstäbe 5 zu einer gut handhabbaren Einheit zusammenzufügen oder um das Gehäuse 1 abzudichten. Das Gehäuse 1 kann, wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, einen Aufsatz 8 tragen, in dem eine Steuerungselektronik mit einer Schaltungsträgerplatte 9 angeordnet ist. Die Anschlussbleche 6 der Heizstäbe 5 können in den Aufsatz 8 hineinragen und dort in Schlitzen der Schaltungsträgerplatte 9 stecken.The heating elements 5 can in one or both ends in potting 7 be embedded, for example, the flow guide 3 and the heating rods 5 to assemble into a manageable unit or around the housing 1 seal. The housing 1 can, as in the illustrated embodiment, an essay 8th carry in which a control electronics with a circuit board 9 is arranged. The connecting plates 6 the heating rods 5 can in the essay 8th protrude and there in slots of the circuit board 9 stuck.

Um das Zusammenstecken der Strömungsleitelemente 3 zu erleichtern, können diese an einer Oberseite einen Zapfen oder eine andere Erhöhung aufweisen, die in eine dazu passende Ausnehmung an der Unterseite der Strömungsleitelemente 3 passt.To the mating of the flow guide 3 To facilitate, they may have on an upper side of a pin or other elevation in a matching recess on the underside of the flow guide 3 fits.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Strömungsleitkanal vier Windungen. Dementsprechend sind in dem Gehäuse 1 vier Strömungsleitelemente 3 übereinander angeordnet. Der Strömungskanal kann aber auch eine größer oder eine kleiner Anzahl von Windungen aufweisen, beispielsweise nur drei Windungen. Die Strömungsleitelemente 3 können in das Gehäuse integriert sein, also als Gehäuseteile ausgebildet sein.In the illustrated embodiment, the Strömungsleitkanal has four turns. Accordingly, in the housing 1 four flow guides 3 arranged one above the other. The flow channel may also have a larger or smaller number of turns, for example, only three turns. The flow guide elements 3 can be integrated into the housing, so be designed as housing parts.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Gehäusecasing
22: Öffnungenopenings
33: Strömungsleitelementeflow guide
44: Aussparungenrecesses
55: Heizstäbeheaters
66: Anschlussblecheflashings
77: Vergussmassepotting compound
88th: Aufsatzessay
99: SchaltungsträgerplatteCircuit board

Claims

Electric heating device for heating liquids, with at least one heating element ( 5 ), which has at least one resistance heating element, a housing ( 1 ), which the heating rod ( 5 ) and the one inlet opening ( 2 ) and an outlet opening ( 2 ), wherein the inlet opening ( 2 ) and the outlet opening ( 2 ) are interconnected by a tortuous flow channel, wherein the flow channel forms a helix having a longitudinal axis, and wherein the heating rod ( 5 ) is arranged next to the longitudinal axis of the helix and protrudes at several points through a helically wound wall of the flow channel.

Heating device according to claim 1, characterized in that a plurality of heating elements ( 5 ) protrude through the helically wound wall of the flow channel.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the heating element ( 5 ) or the heating elements ( 5 ) are arranged parallel to the longitudinal axis of the flow channel.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the flow channel of flow guide elements ( 3 ) formed in the housing ( 1 ) are arranged on each other, each forming a part of a screw and recesses ( 4 ) for the heating element ( 5 ) or the heating elements ( 5 ) exhibit.

Heating device according to claim 4, characterized in that each flow guide ( 3 ) forms a turn of the screw.

Heating device according to claim 4 or 5, characterized in that the flow guide elements ( 3 ) as parts of the housing ( 1 ) are formed.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that each heating element ( 5 ) has a square tube, in which at least one designed as a PTC element resistance heating element is arranged.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that each heating element ( 5 ) has a cross section with two narrow sides and two longitudinal sides, wherein the longitudinal sides are arranged obliquely to the radial direction of the helix.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the housing ( 1 ) is cylindrical.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the heating element ( 5 ) or the heating elements ( 5 ) at at least one end in potting compound ( 7 ) is embedded.

Heating device according to one of the preceding claims, characterized in that from each heating element ( 5 ) a connecting plate ( 6 ) stands out, that in a slot of a circuit board ( 9 ) plugged.