DE102019214566B4

DE102019214566B4 - Heizanordnung

Info

Publication number: DE102019214566B4
Application number: DE102019214566.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bernhardt; Frank Baur
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-04-01
Anticipated expiration: 2039-09-25
Also published as: CN114402704A; US12330478B2; DE102019214566A1; WO2021058507A1; CN114402704B; US20220339990A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizanordnung mit einem Kühlmittelgehäuse (1) mit einem Zufluss- und einem Abflussanschluss (2) für ein Kühlmittel und mit auf zumindest zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden angeordneten Heizelementen die Anschlüsse (6a, 6b) zur Energieversorgung aufweisen, mit einer zumindest dreiteiligen Leiterplatte (4), deren drei Teilleiterplatten (4a, 4b, 4c) in einer Reihe angeordnet und über flexible Bereiche (5a, 5b) miteinander verbunden sind, wobei auf den beiden Randteilleiterplatten (4b, 4c) Leistungselektronikbauteile und Anschlüsse zur Verbindung mit den Energieversorgungsanschlüssen (6a, 6b) der Heizelemente (3) angeordnet sind, wobei die Leiterplatte (4) derart mittels der flexiblen Bereiche (5a, 5b) gebogen ist, dass sich die beiden Randteilleiterplatten (4b, 4c) gegenüberliegen und wobei das Kühlmittelgehäuse (1) zwischen den sich gegenüberliegenden Randteilleiterplatten (4b, 4c) angeordnet und die Energieversorgungsanschlüsse (6a, 6b) der Heizelemente (3) und die Anschlüsse der Randteilleiterplatten (4b, 4c) in elektrischem Kontakt sind.

Description

Elektrische Heizvorrichtungen kommen in Kraftfahrzeugen zum Beispiel als Zusatzheizer zum Einsatz, um die Beheizung des Kraftfahrzeuginnenraums und anderer Komponenten, die primär durch die Abwärme des Motors erfolgt, zu ergänzen, oder zum Beispiel auch ein Heizen im Stillstand des Fahrzeugs zu ermöglichen. Von besonderer Bedeutung sind elektrische Heizvorrichtungen bei Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb, bei denen die Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs keine oder keine ausreichende Abwärme zur Erwärmung oder Klimatisierung des Fahrzeugs abgibt. Es ist von Vorteil, wenn sich eine Heizvorrichtung für Elektro- oder Hybridfahrzeuge zudem dazu eignet, neben der Versorgung des Innenraums des Kraftfahrzeugs mit der erforderlichen Heizwärme auch die für die ablaufenden Prozesse in einzelnen Anlagenteilen des Kraftfahrzeugs erforderliche oder zumindest diese fördernde Wärme bereitzustellen, wie zum Beispiel zur Vorwärmung des Fahrzeugakkumulators.
DE 10 2011 057 105 A1 offenbart ein elektrisches Heizelement, das einen Wärmetauscher aufweist, der zur Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Medium ausgebildet ist. Der Wärmetauscher weist eine Oberfläche auf, die zur Wärmeübertragung unmittelbar mit dem zu erwärmenden Medium in Verbindung steht. Dort ist die Oberfläche des Wärmetauschers beispielhaft mit einer Mehrzahl von Rippen bzw. Vorsprüngen versehen, um einen verbesserten Wärmeübergang auf das zu erwärmende Medium zu erzielen. Der Wärmetauscher ist aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet und kann insbesondere aus Metall, wie insbesondere Aluminium, Kupfer, einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung gebildet sein. Der Wärmetauscher ist dazu ausgebildet, Wärme auf ein Fluid als ein zu erwärmendes Medium zu übertragen. Das zu erwärmende Medium kann dabei insbesondere Luft oder eine Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs, insbesondere Kühlflüssigkeit sein. Dieser Wärmetauscher bildet gleichzeitig ein Substrat, auf dessen Rückseite mittels einer Beschichtungstechnik eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die elektrisch isolierende Schicht kann insbesondere aus Al₂O₃ gebildet sein und kann mittels eines Spritzverfahrens, insbesondere mittels thermischen Spritzens, aufgebracht sein. Auf der von dem Wärmetauscher abgewandten Seite der elektrisch isolierenden Schicht ist mittels einer Beschichtungstechnik eine elektrisch leitende Widerstandsschicht aufgebracht, die als eine oder mehrere Leiterbahnen strukturiert ist. Die elektrisch leitende Widerstandsschicht ist derart ausgestaltet, dass an diese eine elektrische Spannung anlegbar ist, um elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Die elektrisch leitende Widerstandsschicht kann z.B. durch ein Spritzverfahren aufgebracht sein. Die von dem Wärmetauscher abgewandte Seite der elektrisch leitenden Widerstandsschicht ist wiederum mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen, die ebenfalls mittels einer Beschichtungstechnik aufgebracht ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann aus demselben Material wie die elektrisch isolierende Schicht ausgebildet sein, insbesondere aus Al₂O₃.
Das elektrische Heizelement kann hier z.B. mittels eines Verfahrens hergestellt sein, wie es in der EP 1 459 332 B1 beschrieben ist. Dort ist ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Widerstandsschicht offenbart, bei dem ein elektrisch leitendes Material mittels thermischem Spritzen, Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen, Autogenspritzen, Laserspritzen oder Kaltgasspritzen auf einen nicht leitenden Untergrund aufgebracht wird, wobei das elektrisch leitende Material flächig derart aufgebracht wird, dass eine hieraus entstandene Materialschicht zunächst im Wesentlichen noch keine gewünschte Form aufweist, und danach die Materialschicht bereichsweise derart entfernt wird, dass eine elektrisch leitende Widerstandsschicht entsteht, welche im Wesentlichen die gewünschte Form hat, wobei der örtliche elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Widerstandsschicht durch eine lokale Wärmebehandlung eingestellt wird, indem lokal Oxide in die Schicht eingetragen-werden. Das bereichsweise Entfernen der Materialschicht kann mittels Laserstrahlung, eines Wasserstrahls oder eines Pulver-Sandstrahls erfolgen, so dass die elektrisch leitende Widerstandsschicht wenigstens bereichsweise insbesondere mäanderförmig ist.
In der DE 203 19 024 U1 ist ein Flächenheizelement offenbart, das als Widerstandsheizung mit einem mehrschichtigen Aufbau ausgeführt ist, und welches zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und diese an ein Trägermaterial des Flächenheizelementes abgibt. Das Trägermaterial weist eine ebene, gekrümmte oder eine mehrdimensional geformte Oberfläche auf, wobei ein wärmeerzeugender elektrischer Leiter auf das zu erwärmende Trägermaterial mittels Siebdruckverfahren aufgetragen ist. Über dem elektrischen Leiter ist eine Isolierschicht auf Kunststoffbasis mittels Siebdruckverfahren oder durch Aufsprühen oder durch Aufwalzen aufgetragen und die Isolierschicht ist bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet. Das Trägermaterial kann aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa Kunststoff, Metalloxid, Metallnitrit oder aus einem elektrisch leitenden Träger, auf welchen in einem vorangegangenen Fertigungsschritt ein elektrisch isolierender Überzug, beispielsweise aus Email oder Glas aufgebracht wurde, bestehen. Es kann aber auch aus einem elektrisch leitenden Material, wie etwa Aluminium, Kupfer oder Stahl bestehen wobei zwischen dem Trägermaterial und dem wärmeerzeugenden elektrischen Leiter eine Isolierschicht auf Kunststoffbasis auf dem Trägermaterial aufgebracht ist, welche bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet wurde. Der wärmeerzeugende elektrische Leiter kann eine leitfähige Paste aus einem Carbonleitlack sein, welcher einen Festkörpergehalt von mehr als 60% aufweist und neben Kohlenstaub auch Graphit mit einer Korngröße von bevorzugt 5 bis 7 µm enthält. Die Isolierschicht kann aus Lötstopplack oder aus Elektroisolationslack oder aus Tränklack für elektrische und/oder elektronische Bauelemente bestehen. Der wärmeerzeugende elektrische Leiter kann vollflächig oder als Leiterbahnstruktur beliebiger Geometrie ausgebildet sein.
Aus dem Dokument US 2017/0 119 050 A1 ein Gerät zur Verwendung mit einer Vorrichtung zum Erhitzen von rauchbarem Material, um mindestens eine Komponente des rauchbaren Materials zu verflüchtigen, bekannt. Das Gerät besteht aus einer Masse aus rauchbarem Material. Eine Außenseite des Geräts hat eine Länge, eine Breite senkrecht zur Länge und eine Tiefe senkrecht zur Länge und zur Breite. Die Länge ist größer oder gleich der Breite, und die Breite ist größer als die Tiefe.
Aus dem Dokument WO 2019/ 001 585 A1 ist ein elektrisches Heizgerät offenbart, umfassend ein Heizelement, eine Wärmeübertragungswand und ein Steuermodul. Das elektrische Heizgerät umfasst eine Fluidkammer, einen Einlass und einen Auslass, wobei die Fluidkammer mit dem Einlass und dem Auslass in Verbindung steht, die Wärmeübertragungswand, die ein Teil eines Wandteils ist, der die Fluidkammer bildet, wobei das Heizelement an mindestens einem Teil der Wärmeübertragungswand befestigt oder darauf angeordnet ist, das Heizelement außerhalb der Fluidkammer angeordnet ist und mindestens ein Teil des Heizelements vorgesehen ist, um mit der Wärmeübertragungswand in Kontakt zu stehen. Das elektrische Heizelement umfasst ferner eine Abdeckkörperwand, die ein anderer Abschnitt des Wandteils ist, der die Fluidkammer bildet, wobei das Steuermodul außerhalb der Abdeckkörperwand und außerhalb der Fluidkammer angeordnet ist und das Steuermodul elektrisch mit dem Heizelement verbunden ist.
Die hier beschriebenen einseitig auf ein Kühlmittelgehäuse aufgebrachten Heizelemente können aber oft nicht die benötigte Heizleistung aufbringen. Bei mehrseitig aufgebrachten Heizelementen ist hingegen die Energieversorgung problematisch.
Es ist also die Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch eine Heizanordnung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demgemäß ist eine erfindungsgemäße Heizanordnung mit einem Kühlmittelgehäuse mit einem Zufluss- und einem Abflussanschluss für ein Kühlmittel und mit auf zumindest zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden angeordneten Heizelementen, die Anschlüsse zur Energieversorgung aufweisen, sowie mit einer zumindest dreiteiligen Leiterplatte, deren drei Teilleiterplatten in einer Reihe angeordnet und über flexible Bereiche miteinander verbunden sind, wobei auf den beiden Randteilleiterplatten Leistungselektronikbauteile und Anschlüsse zur Verbindung mit den Energieversorgungsanschlüssen der Heizelemente angeordnet sind, gebildet, wobei die Leiterplatte derart mittels der flexiblen Bereiche gebogen ist, dass sich die beiden Randteilleiterplatten gegenüberliegen und wobei das Kühlmittelgehäuse zwischen den sich gegenüberliegenden Randteilleiterplatten angeordnet und die Energieversorgungsanschlüssen der Heizelemente und die Anschlüsse der Randteilleiterplatten in elektrischem Kontakt sind.
Hierdurch ergibt sich eine Flächenreduzierung durch die platzsparende Anordnung der Elektronik und eine Steigerung der Heizleistung aufgrund der Anordnung von Heizelementen auf zumindest zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Kühlmittelgehäuses. Es ist darüber hinaus eine sehr kurze Anbindung der beiden Heizelemente an die Leistungselektronik möglich, wobei zudem eine einfache Trennung des Schaltungsteils für die Signalverarbeitung und des Schaltungsteils für die hochspannungsführende Leistungselektronik (400 V/800 V) möglich ist.
Es wäre auch in einfacher Weise möglich, auf den anderen beiden, sich ebenfalls gegenüberliegenden Gehäusewänden weitere Heizelemente vorzusehen und dies über zwei weitere Randteilleiterplatten, die ebenfalls mit der zentralen Teileiterplatte flexibel verbunden sind, zu versorgen. Die Leiterplatte hätte dann im nicht gebogenen Zustand einen kreuzförmigen Grundriss.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Heizanordnung ist auf der mittleren Teilleiterplatte eine Logikschaltung angeordnet.
Hierdurch können alle mit der mittleren Teilleiterplatte verbundenen Randleiterplatten einfach mit Steuersignalen versorgt werden.
In einer Ausbildung der Heizanordnung sind die Heizelemente mit Heizstäben gebildet. Alternativ können die Heizelemente auch mit aufgesprühten Widerstandsmäandern gebildet sein. Prinzipiell sind auch andere, oben beschriebene Heizelemente möglich.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher beschrieben werden. Dabei zeigen

1 eine erfindungsgemäße Heizanordnung und
2 eine dreiteilige Leiterplatte.

Die 1 zeigt in schematischer Weise ein Kühlmittelgehäuse 1, das einen Zufluss- und eine Abflussanschluss 2 für ein Kühlmittel aufweist, von denen jedoch nur einer schematisch dargestellt ist.
Auf der Ober- und der Unterseite des Kühlmittelgehäuses 1 sind (nicht näher dargestellte) Heizelemente 3 angeordnet, die z.B. als Widerstandsmäander ausgebildet sein können. Es wäre auch möglich, auf der Vorder- und der Rückseite (aus Sicht des Betrachters der 1) und eventuell auch auf der Stirnseite weitere Heizelemente vorzusehen.
Ein Leiterplatte 4 ist als dreiteilige Leiterplatte dargestellt und weist folglich eine mittlere Teilleiterplatte 4a sowie zwei Randteilleiterplatten 4b, 4c auf. Die drei Teilleiterplatten 4a, 4b, 4c sind über flexible Bereiche 5a, 5b miteinander verbunden, was in 2 schematisch dargestellt ist. Die mittlere Teilleiterplatte 4a soll im Ausführungsbeispiel mit Logikschaltkreisen (und/oder analoge Schaltkreise) zur Signalversorgung und Signalverarbeitung versehen sein, während die Randteilleiterplatten 4b, 4c im Wesentlichen Leistungselektronikschaltungen tragen. Sie weisen außerdem Anschlüsse 5a, 5b auf, mit denen sie mit Energieversorgungsanschlüssen der Heizelemente 3 verbunden sind, um diese mit Energie zu versorgen.
Durch die in der 1 dargestellte Heizanordnung ist damit ein sehr kompakter, platzsparender und trotzdem leistungsfähiger Aufbau ermöglicht.

Claims

Heizanordnung mit einem Kühlmittelgehäuse (1) mit einem Zufluss- und einem Abflussanschluss (2) für ein Kühlmittel und mit auf zumindest zwei gegenüberliegenden Gehäusewänden angeordneten Heizelementen die Anschlüsse (6a, 6b) zur Energieversorgung aufweisen, mit einer zumindest dreiteiligen Leiterplatte (4), deren drei Teilleiterplatten (4a, 4b, 4c) in einer Reihe angeordnet und über flexible Bereiche (5a, 5b) miteinander verbunden sind, wobei auf den beiden Randteilleiterplatten (4b, 4c) Leistungselektronikbauteile und Anschlüsse zur Verbindung mit den Energieversorgungsanschlüssen (6a, 6b) der Heizelemente (3) angeordnet sind, wobei die Leiterplatte (4) derart mittels der flexiblen Bereiche (5a, 5b) gebogen ist, dass sich die beiden Randteilleiterplatten (4b, 4c) gegenüberliegen und wobei das Kühlmittelgehäuse (1) zwischen den sich gegenüberliegenden Randteilleiterplatten (4b, 4c) angeordnet und die Energieversorgungsanschlüsse (6a, 6b) der Heizelemente (3) und die Anschlüsse der Randteilleiterplatten (4b, 4c) in elektrischem Kontakt sind.
Heizanordnung nach Anspruch 1, bei der auf der mittleren Teilleiterplatte (4a) eine Logikschaltung angeordnet ist.
Heizanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Heizelemente (3) mit Heizstäben gebildet sind.
Heizanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Heizelemente (3) mit aufgesprühten Widerstandsmäandern gebildet sind.