[0001] Gegenstand der Erfindung ist eine Heizvorrichtung mit einem PTC Element und mit einem Lüfter.„PTC" steht für„Positive Temperature Coefficient"

[0002] Es ist bekannt, das PTC-Elemente in Heizlüftern eingesetzt werden können. Solche PTC-Elemente sind selbstregelnde Heizelemente. Die PTC- Keramik, die typischerweise in PTC-Elementen eingesetzt wird, gehört zu der Gruppe der passiven elektronischen Bauelemente. Durch die selbstregelnde Eigenschaften der PTC-Keramik wird die zugeführte und abgegebene Leistung selbstständig reduziert. Im Prinzip steigt der elektrische Widerstand eines PTC- Elements mit der Temperatur des Elementes. Genau betrachtet sinkt zunächst der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur. Die Widerstandskennlinie des PTC-Elements hat in diesem Bereich eine negative Temperaturcharakteristik. Erst wenn der minimale Widerstand erreicht ist, ändert sich die negative in eine positive Temperaturcharakteristik. Typischerweise nimmt der Widerstand mit weiter steigender Temperatur zuerst langsam ab. Ab ca. 80°C nimmt der Widerstand dann stark zu. Die Zunahme des Widerstands dauert so lange, bis das PTC-Element praktisch keinen zusätzlichen Strom mehr aufnimmt. D.h. es wird kaum noch Wärmeenergie bereitgestellt und die Oberflächentemperatur des PTC-Elements bleibt in einem unkritischen Bereich. [0003] Es ist auch bekannt, dass man mehrere PTC-Elemente in einem Heizlüfter verbauen kann, wobei die Heizleistung durch Zuschalten weiterer Elemente stufenweise erhöht werden kann. [0004] Leider hat sich gezeigt, dass die Regulierbarkeit der Wärmeabgabe solcher Heizlüfter unbefriedigend ist.

[0005] Es stellt sich daher die Aufgabe einen einfachen und sicheren Heizlüfter bereit zu stellen, der eine stufenlose Regulierbarkeit der Wärmeabgabe ermöglicht. Dieser Heizlüfter soll einfach zu bedienen und sicher sein.

[0006] Gemäss Erfindung wird eine Heizvorrichtung mit einem elektrisch beheizbaren PTC-Element bereit gestellt, das sich beim Anlegen einer ersten Spannung erwärmt. Die Heizvorrichtung umfasst einen elektrisch antreibbaren Lüfter, der einen ersten Luftstrom bewegt, wobei das PTC-Element und der Lüfter so angeordnet sind, dass der erste Luftstrom das PTC-Element passiert. Der erste Luftstrom nimmt beim Passieren des PTC-Elements Wärmeenergie von dem PTC-Element auf, falls das PTC-Element durch Anlegen der ersten Spannung erwärmt wurde, und gibt ausgangsseitig einen zweiten Luftstrom ab. Die Heizvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine elektrische Versorgungsschaltung umfasst, um den elektrisch antreibbaren Lüfter zu speisen, wobei die Luftmenge des ersten Luftstrom mittels der Versorgungsschaltung einstellbar ist. [0007] Das Abgeben von Wärme kann bei allen Ausführungsformen echt stufenlos oder quasi stufenlos erfolgen, indem die Luftmenge über die elektrische Versorgungsschaltung vorgegeben wird .

[0008] Das Einstellen der Luftmenge geschieht bei allen Ausführungsformen stufenlos oder quasi stufenlos. Als quasi stufenloses Einstellen wird eine Konstellation oder Konfiguration bezeichnet, bei der durch mehrere Schalterstellungen oder gerasterte Potenziometerstellungen über die elektrische Versorgungsschaltung das Volumen des ersten Luftstroms (d .h. der Volumenstrom bzw. die Luftmenge) in mehreren kleinen Schritten einstellbar ist. Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen dem Nutzer der Heizvorrichtung das Verstellen als stufenloses Verstellen vorkommt. D.h. das Einstellen der Luftmenge erfolgt entweder wirklich stufenlos (z.B. mittels eines stufenlos arbeitenden Potenziometers) oder es erfolgt mit einer Anzahl von Schritten, die grösser ist als 3 und vorzugsweise grösser ist als 5.

[0009] Wenn im Folgenden der Begriff „stufenlos" verwendet wird, dann ist auch der„quasi stufenlose" Ansatz mit umfasst.

[00010] Durch das Ändern einer elektrischen Regelgrösse ist der Volumenstrom bzw. die Luftmenge des ersten Luftstroms stufenlos beeinflussbar und indirekt wird über das stufenlose Beeinflussen der Luftmenge des ersten Luftstroms die Leistungsaufnahme und -abgäbe des PTC-Elements beeinflusst. D.h. über die Vorgeben/Einstellen des ersten Luftstroms wird indirekt die Wärmeabgabe eingestellt.

[00011] Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die Wärmeabgabe indirekt durch das Beeinflussen des Volumenstroms bzw. der Luftmenge eingestellt werden kann. Anstatt versorgungstechnisch direkt auf das PTC-Element einzuwirken oder statt schaltungstechnisch ein weiteres PTC-Element oder einen weiteren Abschnitt eines PTC-Elements zuzuschalten, wird die Luftmenge erhöht, die durch die Heizvorrichtung strömt.

[00012] Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass die Leistungsversorgung des eigentlichen Heizkreises elektrisch und schaltungstechnisch komplett von den Regelungselementen der Vorrichtung entkoppelt ist. D.h. man hat im Prinzip eine galvanische Entkopplung, die zu einer erhöhten Sicherheit führt. Die Leistungsversorgung des eigentlichen Heizkreises kann bei allen Ausführungsformen einen An/Ausschalter umfassen, um den Heizkreis zu aktivieren falls geheizt werden soll. Dieser An/Ausschalter, falls vorhanden, kann auch als An/Ausschalter der gesamten Vorrichtung dienen.

[00013] Vorzugsweise werden die Regelungselemente der Vorrichtung (z. B. die elektrische Versorgungsschaltung) mit niedriger Spannung und/oder niedrigem Strom betrieben, was die Sicherheit der Heizvorrichtung deutlich erhöht, da dieser Teil galvanisch von dem Heizkreis (Leistungskreis) getrennt ist.

[00014] Die Vorrichtung der Erfindung kann fernbedienbar (mittels Kabel oder kabellos) ausgelegt sein, wobei bei diesen Ausführungsformen die Fernbedienbarkeit durch das Einwirken auf die elektrische Versorgungsschaltung erfolgt.

[00015] Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass das Verhalten bzw. die Charakteristik der Heizvorrichtung intuitiv über die Bedienung eines Regelelements möglich ist. Ein Hochfahren des Volumenstroms bzw. der Luftmenge, die durch die Vorrichtung gefördert wird, erhöht automatisch die Wärmeabgabe des PTC-Elements und eine Reduktion des Volumenstroms bzw. der Luftmenge, die durch die Vorrichtung gefördert wird, reduziert automatisch die Wärmeabgabe des PTC-Elements.

[00016] Es ist ein Vorteil der Erfindung, dass beim Verringern des Volumenstroms bzw. der Luftmenge des ersten Luftstroms unterhalb einer Mindestluftstrommenge das Entziehen von Wärmeenergie am PTC-Element so stark reduziert wird, dass die Leistungsaufnahme des PTC-Elements gegen Null geht. Die Vorrichtung der Erfindung nutzt somit den inhärenten Übertemperaturschutz, den ein PTC-Element bietet.

[00017] Bei bevorzugten Ausführungsformen kann damit die Wärmeabgabe auf Null oder nahezu auf Null herunter gefahren werden. [00018] Alle Ausführungsformen können z.B. ein gitterförmiges PTC-Element oder ein PTC-Element in Waben- oder Kassettenform umfassen. Die PTC- Elemente können eine flächige Konstellation oder auch eine säulenartige Konstellation haben, deren Querschnitt rechteckig, quadratisch, kreisförmig oder oval ist. Eine säulenartige Konstellation eignet sich vor allem für PTC-Elemente mit Waben- oder Kassettenform, wobei sich die Waben oder Kassetten parallel zur Längsachse der säulenartigen Konstellation erstrecken und durchgängig offen sind, um von einem Ende zum anderen von Luft passiert werden zu können. [00019] Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.

[00020] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen nicht maßstäblich sind. Vor allen die Dicke der verschiedenen Elemente sind nicht im wirklichen Verhältnis zueinander gezeigt.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines vorbekannten PTC-Elements mit einer gängigen Beschaltung;

Fig. 2 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer ersten

Heizvorrichtung der Erfindung, das eine PTC-Element und einen

Lüfter umfasst. [00021] Im Folgenden werden Orts- und Richtungsangaben verwendet, um die Erfindung besser beschreiben zu können. Diese Angaben beziehen sich auf die jeweilige Einbausituation und sollen daher nicht als Einschränkung verstanden werden. [00022] In Fig . 2 ist eine beispielhafte Heizvorrichtung 100 der Erfindung in einer stark schematisierten Prinzipskizze gezeigt. Die Heizvorrichtung 100 umfasst ein elektrisch beheizbares PTC-Element 10, das sich beim Anlegen einer ersten Spannung VI erwärmt. Der Leistungskreis LK ist gemäss Erfindung separat von dem Regelkreis RK ausgeführt.

[00023] Der Leistungskreis LK kann zum Beispiel bei allen Ausführungsformen mit dem Hausnetz (z.B. mit einer 220V Wechselspannung) verbunden sein, oder er kann von einer Leistungsquelle versorgt werden.

[00024] Vorzugsweise umfasst der Leistungskreis LK bei allen Ausführungsform einen Schalter Sl, der ein An- und Ausschalten der Spannungsversorgung des PTC-Elements 10 ermöglicht, wie in Fig . 2 beispielhaft gezeigt. Dieser An/Ausschalter Sl, falls vorhanden, kann auch als An/Ausschalter der gesamten Vorrichtung 100 dienen, wobei in diesem Fall durch ein Betätigen des Schalters Sl sowohl der Leistungskreis LK als auch der Regelkreis RK angeschaltet werden. [00025] Vorzugsweise ist der Schalter Sl bei allen Ausführungsformen mechanisch oder elektrisch (z.B. über ein Relais oder Schütz) mit einem Hauptschalter der Heizvorrichtung 100 verbunden. Durch das Betätigen eines solchen Hauptschalters wird in diesem Fall nicht nur der Regelkreis RK sondern auch der Leistungskreis LK angeschaltet.

[00026] Die Heizvorrichtung 100 umfasst mindestens einen elektrisch antreibbaren Lüfter 20, der einen ersten Luftstrom LI bewegt. Das PTC-Element 10 und der Lüfter 20 sind so angeordnet (wie z.B. in Fig. 2 gezeigt), dass der erste Luftstrom LI das PTC-Element 10 passiert. Das Wort„Passieren" wird hier verwendet, um ein Umströmen und/oder ein Durchströmen des PTC-Elements 10 zu umschreiben. Vorzugsweise wird bei allen Ausführungsformen ein Aufbau gewählt, der so ausgelegt ist, dass der gesamte erste Luftstrom das PTC-Element 10 passiert. [00027] Das PTC-Element 10 kann bei allen Ausführungsformen vor oder hinter (in Strömungsrichtung betrachtet) dem Lüfter 20 angeordnet sein. Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen der Lüfter 20 vor dem PTC-Element 10 sitzt, wie in Fig. 2 gezeigt, da der Lüfter 20 in diesem Fall auf der„kalten" Seite sitzt, d.h. der Lüfter 20 bewegt kalte Luft.

[00028] Bei allen Ausführungsformen nimmt der erste Luftstrom LI beim Passieren des PTC-Elements 10 Wärmeenergie von dem PTC-Element 10 auf gibt einen zweiten Luftstrom L2 ab, wie in Fig. 2 anhand von zwei Blockpfeilen angedeutet. Der zweite Blockpfeil, der den zweiten Luftstrom L2 darstellt, ist schwarz dargestellt, um zu zeigen, dass dieser Luftstrom eine höhere Temperatur T2 hat als die Temperatur Tl des erstens Luftstroms LI . Genauer ausgedrückt kann gesagt werden, dass der zweite Luftstrom L2 pro Zeiteinheit eine grössere Wärmemenge transportiert als der erste Luftstrom LI.

[00029] Diese Aussage gilt jedoch nur dann, wenn das PTC-Element 10 Wärmeenergie abgibt. D.h. die Wärmeabgabe tritt jedoch nur dann ein, wenn das PTC-Element 10 durch Anlegen der ersten Spannung VI elektrisch beheizt wird (d.h. wenn z. B. der Schalter Sl geschlossen wurde).

[00030] Die Heizvorrichtung 100 zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine elektrische Versorgungsschaltung 150 umfasst, um den elektrisch antreibbaren Lüfter 20 zu speisen, wobei der Volumenstrom bzw. die Luftmenge des ersten Luftstroms LI mittels der Versorgungsschaltung 150 einstellbar ist. D.h. die Versorgungsschaltung 150 dient zum Regeln des Lüfters 20. Gemäss Erfindung sind der Regelkreis RK und der Leistungskreis LK elektrisch voneinander getrennt (ausser das sie eventuell durch einen gemeinsamen Hauptschalter anschaltbar sind). Diese galvanische Trennung bildet einen wesentlichen Sicherheitsaspekt der Erfindung. Ein Betätigen/Berühren der Elemente der Versorgungsschaltung 150 können auch bei einem Kurzschluss oder einem anderen Fehler nicht zu einem Berühren der spannungsführenden oder stromleitenden Elemente des Leistungskreises LK führen.

[00031] Vorzugsweise ist der Regelkreis RK bei allen Ausführungsformen als Niederspannungs- und/oder Niederstromschaltung ausgelegt. [00032] Der elektrisch antreibbare Lüfter 20 umfasst gemäss Erfindung einen Elektromotor 21, der an einer Achse eine Drehbewegung bereit stellt. Diese Achse ist mit einem Lüfterrad, Propeller oder Ventilator verbunden, um die Drehbewegung der Achse in eine Bewegung eines Luftstroms (hier als erster Luftstrom LI bezeichnet) umzusetzen. Zusammenfassend werden Lüfterrad 22, Rotor, Propeller oder Ventilator hier als Luftrad 22 bezeichnet.

[00033] Die Bauform des Lüfters 20 ist für die Funktion der Erfindung nicht relevant. Bevorzugt werden Bauformen, die eine geringe Leistungsaufnahme in Bezug auf den bewegten Volumenstrom bzw. die Luftmenge haben und die leise laufen, da die Vorrichtung 100 vorzugsweise im Haushalts- oder Büroumfeld zum Einsatz kommt.

[00034] Der Lüfter 20 hat gemäss Erfindung vorzugsweise bei allen Ausführungsformen eine Radialbauweise, eine Axialbauweise oder eine Schnecken- Bauform.

[00035] Es gibt verschiedene Typen von Motoren 21, die im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Wichtig ist, dass die Drehzahl des Lüfters 20, respektive der Durchsatz der Luftmenge, durch das Vorgeben einer Regelgrösse mittels der Versorgungsschaltung 150 direkt oder indirekt stufenlos einstellbar ist. Das Einstellen kann bei allen Ausführungsformen rein elektrisch erfolgen, oder es kann bei allen Ausführungsformen auch eine elektro-mechanische Verstellung (z.B. über ein variabel einstellbares Getriebe) zum Einsatz kommen.

[00036] In Fig. 2 ist beispielhaft ein Regelelement 151 in Form eines Potenziometers gezeigt, das manuell (z.B. über einen stufenlos verdrehbaren Knopf oder über einen stufenlos verschiebbaren Schieber) verstellt werden kann. Es kann hier auch ein Potenziometer oder Schalter mit vielen, fein abgestuften Stellungen eingesetzt werden, um eine quasi stufenlose Verstellbarkeit zu ermöglichen. [00037] Die Vorrichtung 100 kann bei allen Ausführungsformen einen Gleichstrom-Elektromotor umfassen, der mittels der Versorgungsschaltung 150 stufenlos regelbar ist. Vorzugsweise dient bei diesen Ausführungsformen ein elektronisch kommutierter bürstenloser Gleichstrommotor als Gleichstrom- Elektromotor, wobei die Versorgungsschaltung 150 ein elektronische Regelschleife umfasst, um den Gleichstrommotor stufenlos regeln zu können. Die elektronische Regelschleife umfasst vorzugsweise einen Elektronik-Umrichter.

[00038] Der Elektronik-Umrichter, der zum Ansteuern eines elektronisch kommutierten bürstenlosen Gleichstrommotors erforderlich ist, kann bei allen Ausführungsformen der Erfindung entweder Bestandteil des Motors 21 sein, oder es kann in der Versorgungsschaltung 150 mit umfasst sein.

[00039] Der elektrisch antreibbare Lüfter 20 kann aber auch bei allen Ausführungsformen einen Wechselstrom- oder einen Drehstrom-Elektromotor umfassen, der mittels einer Wechselstrom- oder Drehstrom- Versorgungsschaltung 150 stufenlos regelbar ist.

[00040] Gemäss Erfindung kann es sich bei allen Ausführungsformen bei dem PTC-Element 10 um ein Gleichspannungs-PTC-Element 10 handeln, wobei in diesem Fall die Heizvorrichtung 100 im Leistungskreis LK eine Gleichspannung als erste Spannung VI bereit stellt, um das Gleichspannungs-PTC-Element 10 elektrisch zu beheizen. Der Leistungskreis LK umfasst in diesem Fall vorzugsweise einen Gleichrichter, um das Gleichspannungs-PTC-Element 10 an einem Wechselspannungsnetz betreiben zu können.

[00041] Gemäss Erfindung kann es sich bei allen Ausführungsformen bei dem PTC-Element 10 um ein Wechselspannungs-PTC-Element 10 handeln, wobei in diesem Fall die Heizvorrichtung 100 im Leistungskreis LK eine Wechselspannung als erste Spannung VI bereit stellt, um das Wechselspannungs-PTC-Element 10 elektrisch zu beheizen. [00042] Im Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung 100 anhand der Verfahrensschritte, die zum Betreiben erforderlich sind, erläutert. [00043] Es wird eine ersten Spannung VI an ein elektrisch beheizbares PTC- Element 10 angelegt (z. B. durch ein direktes oder indirektes Betätigen des Schalters Sl), wobei sich das PTC-Element 10 beim Anlegen der ersten Spannung VI erwärmt. [00044] Weiterhin wird eine elektrische Regelgrösse zum Betreiben des elektrisch antreibbaren Lüfters 20 vorgegeben, wobei der Lüfter 20 einen ersten Luftstrom LI bewegt, dessen Volumenstrom bzw. Luftmenge durch das Vorgeben der elektrischen Regelgrösse direkt oder indirekt beeinflussbar ist. Dies kann z. B. durch Betätigen/Verstellen des Regelelements 151 erfolgen.

[00045] Das PTC-Element 10 und der Lüfter 20 sind so relativ zueinander angeordnet, dass der erste Luftstrom LI das PTC-Element 10 passiert und dem PTC-Element 10 dabei Wärmeenergie entzieht. Dabei wird ein zweiter Luftstrom L2 abgegeben, der eine höhere Temperatur T2 hat als der erste Luftstrom LI vor dem Passieren des PTC-Elements 10.

[00046] Durch ein Ändern der elektrischen Regelgrösse in eine erste Richtung wird der Volumenstrom bzw. die Luftmenge des ersten Luftstroms LI erhöht und damit wird das Entziehen von Wärmeenergie am PTC-Element 10 gesteigert. Das führt aufgrund der inhärenten Eigenschaft des PTC-Elements 10 zu einer Reduktion des inneren Widerstands des PTC-Elements 10 und somit zur vergrößerten elektrischen Leistungsaufnahme und zur erhöhten Bereitstellung von Wärmeenergie. [00047] Durch ein Ändern der elektrischen Regelgrösse in eine der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung wird der Volumenstrom bzw. die Luftmenge des ersten Luftstroms LI verringert und damit wird quasi auf indirektem Wege das Entziehen von Wärmeenergie am PTC-Element 10 reduziert. Das führt aufgrund der inhärenten Eigenschaft des PTC-Elements 10 zu einer Erhöhung des inneren Widerstands des PTC-Elements 10 und somit zur verringerten Leistungsaufnahme und zur reduzierten Bereitstellung von Wärmeenergie.

[00048] Gemäss Erfindung folgt die Temperaturabgabe des PTC-Elements 10 quasi der vorgebbaren Luftmenge. Die Wärmeabgabe wird bei allen Ausführungsformen indirekt über die Luftmenge geregelt ohne auf den Leistungskreis LK schaltungstechnisch (abgesehen vom An/Ausschalten des Leistungskreises LK) einwirken zu müssen.

[00049] Statt nur eines einzigen PTC-Elements 10 können bei allen Ausführungsformen auch mehrere PTC-Elemente in bekannter Art und Weise zum Einsatz kommen. Es können auch mehrstufige PTC-Elemente 10 eingesetzt werden, wie beim Stand der Technik üblich, wobei auch in diesen Fällen die Temperaturabgabe des/der PTC-Elemente 10 nur durch die Luftmenge beeinflusst wird.

[00050] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung umfassen lediglich ein einfaches PTC-Element 10 (z. B. wie in Fig. 2 gezeigt), das kostengünstiger ist als mehrstufige PTC-Elemente.

[00051] Die Heizvorrichtung 100 ist vorzugsweise in allen Ausführungsformen in sich autark. D.h. die Heizvorrichtung 100 muss lediglich mit einer elektrischen Versorgung verbunden werden (z.B. mit dem 22V Wechselspannungsnetz), um betrieben werden zu können. Die Heizvorrichtung 100 dient also als stand-alone Lösung, die keinerlei weitere Anschlüsse oder Verbindungen (z.B. zu einem extern bereitgestellten Luftstrom) braucht. Bezugszeichen

PTC-Element 10

Lüfter 20

Motor 21

Luftrad 22

Heizvorrichtung 100

Versorgungsschaltung 150

Regelelement 151

Erster Luftstrom LI zweiter Luftstrom L2

Leistungskreis LK

Regelkreis RK

Schalter Sl

Erste Spannung VI