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Die Erfindung betrifft ein Heizmodul für einen Hochvolt-Heizer, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Heizmoduls und einen Heizer für ein Kraftfahrzeug mit einer Vielzahl derartiger Heizmodule.
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Diese Heizmodule werden beispielsweise bei Zuheizern zur Lufterhitzung in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, zur Erwärmung von Kraftstoff, insbesondere Diesel in einer Filterpatrone eines Verbrennungsmotors oder bei industriellen Lufterhitzern mit Leistungen mit mehr als 10 KW verwendet.
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Der Grundaufbau derartiger Heizer für Kraftfahrzeuge ist beispielsweise in der
EP 0 350 528 B1 der Anmelderin beschrieben. Diese Druckschrift offenbart einen PTC-Luftheizer für die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, wobei zur Erzeugung von Wärme PTC-Widerstände verwendet werden, die aufgrund ihres mit der Temperatur ansteigenden Widerstandes selbstregelnde Eigenschaften haben, so dass eine Überhitzung des PTC-Widerstands relativ einach verhindert werden kann. Die PCT-Widerstände sind bei der bekannten Lösung thermisch mit Wärmeverteilungselementen/Radiatorelementen verbunden, die beispielsweise aus mäanderförmig gebogenen Bandmaterial bestehen. Durch diese wellrippenförmigen Wärmeverteilungselemente werden eine Vielzahl von Lamellen geschaffen, die von dem aufzuwärmenden Medium – im vorliegenden Fall Luft – durchströmt werden, dabei ist es wichtig, dass die Wärmeverteilungselemente und die PTC-Widerstände hinreichend thermisch kontaktiert sind, um eine möglichst hohe effektive Leistung zu gewährleisten.
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In der
EP 1 407 907 B1 ist ein Luftheizer offenbart, bei dem das Widerstandselement und das Wärmeverteilungselement einstückig ausgebildet sind. Bei dieser bekannten Lösung wird ein Kunststoffmaterial mit PTC-Eigenschaften verwendet, wobei beispielsweise Polypropylen oder EVA verwendet werden kann, das zur Verbesserung der Leitfähigkeit mit Ruß versetzt ist.
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In der
EP 1 967 398 A1 ist ein Luftheizer offenbart, bei dem anstelle der eingangs beschriebenen lamellenförmigen Wärmeverteilungselemente Stanzbiegeteile verwendet werden, in die Durchströmungsöffnungen für das aufzuwärmende Medium eingebracht werden und die anschließend U-förmig gebogen und mit PCT-Widerstandselementen kontaktiert werden.
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Die vorbeschriebenen Heizer werden bei Fahrzeugen zur Unterstützung der vorhandenen Kühlwasser-basierten Heizung eingesetzt. Typische Leistungsaufnahmen solcher Heizer liegen zwischen 1000 W und 1500 W, bei einer Betriebsspannung von 13,5 V. Seit einigen Jahren wird der Anwendungsbereich derartiger Heizer auf Systeme mit vergleichsweise hohen Spannungen erweitert. Derartige Anwendungsbereiche finden sich beispielsweise bei reinen Elektrofahrzeugen, Hybridfahrzeugen oder bei Brennstoffzellenfahrzeugen. Diese werden antriebsseitig mit Hochspannung – typischer Weise sind Bandbreiten zwischen 192 V und 450 V bei einer Nennspannung von 350 V – betrieben. Dabei ist es sinnvoll, die Zusatzsysteme, wie beispielsweise die aufgrund der entfallenden Motorabwärme nötigen Innenraumheizsysteme mit derselben Spannung zu betreiben. Im Gegensatz zu den Niedervoltsystemen muss bei den Hochvoltsystemen eine verbesserte elektrische Isolierung angewendet werden; es sind die einschlägigen Regelungen für Luft- und Kriechstrecken einzuhalten, wobei beispielsweise zumindest eine doppelte Isolierung der Heizelemente vorgeschrieben ist. Diesen Anforderungen können die eingangs beschriebenen Systeme nur mit aufwendigen Modifikationen genügen.
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Hinzu kommt, dass bei der Verwendung von PTC-Widerstandselementen aufgrund der hohen Leistungen bis zu mehreren Kilowatt eine Vielzahl von sehr teuren PTC-Bausteinen verwendet werden muss, so dass der Systempreis entsprechend hoch ist. Ein weiterer Nachteil von PTC-Heizelementen besteht darin, dass diese aus keramischem Material hergestellt sind und somit leicht brechen können und daher sehr passgenau verarbeitet werden müssen.
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In der
EP 1 852 878 A1 der Anmelderin wird vorgeschlagen, bei Leistungswiderständen anstelle von PTC-Heizelementen Widerstandsdrähte zu verwenden, die auf einen elektrisch isolierenden Träger aufgewickelt sind. Diese Druckschrift enthält jedoch nicht den geringsten Hinweis darauf, diese Widerstandselemente bei Zuheizern für Hochvolt-Heizvorrichtungen eines Fahrzeugs einzusetzen.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstig zu fertigendes Heizmodul zu schaffen, das auch den Anforderungen an Hochvoltsysteme entspricht. Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizmoduls und einen mit derartigen Heizmodulen ausgeführten Heizer zu schaffen.
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Diese Aufgabenstellung wird durch ein Heizmodul mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Heizmoduls gemäß Patentanspruch 14 und einen Heizer mit einer Vielzahl derartiger Heizmodule nach Patentanspruch 16 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß wird ein Heizmodul für eine Hochvolt-Heizvorrichtung eines Fahrzeugs vorgeschlagen. Dieses Heizmodul hat ein elektrisches Widerstandselement, dessen bei Bestromung abgegebene Wärmemenge mittels eines Wärmeverteilungselementes auf ein zu heizendes Medium übertragbar ist. Erfindungsgemäß ist das Widerstandselement ein auf einen Träger angeordneter Heizdraht, der mit einer hinreichenden elektrischen Isolation versehen ist und thermisch mit dem Wärmeverteilungselement kontaktiert ist.
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Durch die Verwendung eines Heizdrahts anstelle der herkömmlichen PTC-Widerstandselemente lässt sich der Systempreis erheblich verringern, wobei aufgrund der vergleichsweise großen Robustheit der Heizdrahtkonstruktion die beim Stand der Technik vorhandene Beschädigungsgefahr beim Montieren des Heizmoduls und somit die Ausschussquote minimiert wird. Eine derartige Heizdrahtkonstruktion lässt sich auch auf einfache Weise an unterschiedliche Leistungsanforderungen und Geometrien anpassen, so dass eine sehr flexible Fertigung ermöglicht wird.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des Heizmoduls ist der Heizdraht auf einen flächigen Trägerstreifen aufgewickelt, wobei die Einheit aus Heizdraht und Trägerstreifen zumindest abschnittsweise von einer ersten Isolation abgedeckt ist.
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Diese erste Isolation ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch zwei Isolationsschichten gebildet, zwischen denen der Trägerstreifen mit dem Heizdraht aufgenommen ist.
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Um den Sicherheitsanforderungen an Hochvoltsysteme zu genügen, kann eine Außenisolation vorgesehen werden, die die erste Isolation umgibt.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist diese Außenisolation einlagig gewickelt.
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Um eine gute thermische Kontaktierung des Heizdrahtes mit dem Wärmeverteilungselement zu gewährleisten, kann der den Heizdraht tragende und mit der doppelten Isolation versehene Trägerstreifen mit einer eine hinreichende thermische Leitfähigkeit aufweisenden Ummantelung versehen sein, die mit dem Wärmeverteilungselement direkt kontaktiert ist.
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Dabei wird es bevorzugt, dass die Ummantelung den Heizdraht mit einer mechanischen Spannung beaufschlagt, so dass sich dieser in den Trägerstreifen eingräbt.
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Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn der Träger und/oder die erste Isolation aus Pressglimmer hergestellt ist. Die Außenisolation kann aus einer Kunststofffolie, beispielsweise Polyimid ausgeführt sein. Der zur Verbesserung der thermischen Kontaktierung und zum mechanischen Schutz vorgesehene Außenmantel kann aus Metall, vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminium haltigen Legierung gefertigt werden.
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Das Material des Heizdrahtes wird vorzugsweise so gewählt, dass sich sein Widerstand mit steigender Temperatur erhöht, so dass der Aufbau der zugehörigen Leistungselektronik vergleichsweise einfach ist, da sich das System bei sinkendem Luftdurchsatz oder steigender Eintrittstemperatur selbst abregelt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Heizmoduls wird jeder derartigen Einheit bestehend aus dem Träger, dem darauf aufgewickelten Heizdraht, den Isolationsschichten und der Ummantelung jeweils zwei Wärmeverteilungselemente zugeordnet. Diese werden vorzugsweise als Wellrippe ausgeführt, wie sie beispielsweise in dem eingangs genannten Europäischen Patent
EP 0 350 528 B1 gezeigt ist.
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Um die vergleichsweise filigranen Wellrippen gegen mechanische Beschädigung zu schützen, können diese mittels eines Abdeckblechs zumindest abschnittsweise überdeckt werden.
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Die elektrische Kontaktierung kann bei einem Ausführungsbeispiel dadurch erfolgen, dass der Heizdraht an gegenüber liegenden stirnseitigen Endabschnitten des Trägerstreifens zur Stromzuführung bzw. Masseverbindung mit Stromleitelementen elektrisch kontaktiert ist.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Heizmoduls wird zunächst ein Trägerstreifen aus einem elektrisch isolierenden Material bereit gestellt. Dieser Trägerstreifen wird in einem anschließenden Fertigungsschritt mit einem Heizdraht umwickelt und auf diese Wicklung eine erste elektrische Isolation aufgebracht, die durch zwei beidseitig auf die Großflächen des Trägerstreifens aufgebrachte Isolationsschichten gebildet ist. Darauf wird in einem weiteren Fertigungsschritt eine Außenisolation aufgebracht, die – wie vorstehend beschrieben – beispielsweise durch Wickeln ausgebildet ist. Der mit einer doppelten Isolation versehene Heizdraht wird dann mit einem Außenmantel versehen, der im Hinblick auf eine gute Wärmeübertragung zu einem am Außenmantel anliegenden Wärmeverteilungselement ausgelegt ist.
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Der erfindungsgemäße Heizer für ein Kraftfahrzeug hat eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Heizmodulen der vorbeschriebenen Bauart, denen eine Leistungselektronik zugeordnet ist.
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Diese Leistungselektronik kann derart ausgeführt sein, dass mehrere Heizkreise ausgebildet sind, wobei die Stromzuführung an der Stirnseite des Heizmodulpakets und der Massekontakt an der anderen Stirnseite des Heizmodulpakets erfolgt.
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Dieses Heizmodulpaket ist seitlich an ein die Leistungselektronik aufnehmendes Gehäuse angesetzt, wobei die stirn- und längsseitigen Bereiche des Heizmodulpakets zusätzlich durch Abdeckungen überstreckt sind.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine dreidimensionale Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Heizers für ein Kraftfahrzeug;
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2 eine Ansicht auf den Heizer gemäß 1 aus einem anderen Blickwinkel;
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3 einen Träger eines Heizmoduls des Heizers aus 1;
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4 den Träger aus 3 mit einer Heizdrahtwicklung;
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5 einen Teil einer ersten Isolationsschicht des Heizmoduls eines Heizers gemäß 1;
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6 das Heizmodul aus 5 mit vervollständigten ersten Isolationsschichten;
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7 das mit einem Aussenmantel versehene Heizmodul;
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8 das komplettierte Heizmodul, wobei auf den Aussenmantel Wärmeverteilungselemente aufgesetzt sind;
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9 den Heizer aus 1 mit abgenommen Abdeckelementen;
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10, 11 ein Ausführungsbeispiel eines Heizers, bei dem anstelle der Zuganker Spannbänder zum Verspannen des Heizmodulpakets verwendet sind;
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12 eine Ansicht auf den Heizer gemäß 2 mit geöffnetem Gehäuse für die Leistungselektronik und
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13 eine Prinzipdarstellung eines Kühlelementes der Leistungselektronik gemäß 12.
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In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Heizers 1 für eine Innenraumheizung eines Elektrofahrzeugs, eines Hybridfahrzeugs, eines Brennstoffzellenfahrzeugs oder eines sonstigen Fahrzeugs dargestellt. Dieser Heizer 1 wird in einen Kanal einer Klimaanlage des Fahrzeugs eingesetzt, wobei das zu erwärmende Medium, im vorliegenden Fall die Luft, ein Heizmodulpaket 2 durchströmt, das im Prinzip aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Heizmodulen 4 besteht, die über im Folgenden noch näher beschriebene Zuganker 6 an einem eine Leistungselektronik aufnehmenden Gehäuse 8 gehalten sind. In diesem ist eine Platine mit den elektronischen Bausteinen der Leistungselektronik angeordnet. Am Gehäuse 8 ist ein Anschluss 10 für die Stromversorgung und ein Signalanschluss 12 ausgeführt. Eine Besonderheit des dargestellten Heizers 1 besteht darin, dass die Heizmodule 4 des Heizmodulpakets 2 mit ihren Längsachsen (Vertikale in 1) parallel zum Gehäuse verlaufen und somit „stehend” in dem Kanal angeordnet sind. Die Zuganker 6 verlaufen quer zu dieser Hochachse und spannen das Heizmodulpaket 2 gegen das in der Klimaanlage des Fahrzeugs befestigte Gehäuse 8.
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Das Gehäuse 8 ist mit einem abnehmbaren Deckel 14 versehen, der mit einem Gehäusekörper 16 verschraubt ist, an dem die Zuganker 6 abgestützt sind.
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Wie unten anhand der 12, 13 erläutert, wird die Abwärme der Leistungselektronik über einen Kühlkörper 18 (siehe 1) aus dem Gehäuse 8 heraus in den von der erwärmenden Luft durchströmten Bereich geführt, wobei der Kühlkörper 18 gegenüber dem Heizmodulpaket 2 durch ein gute thermische Isolationseigenschaften aufweisendes Trennblech 20 thermisch abgedeckt ist.
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Der Aufbau der Heizmodule 4 wird anhand der 3 bis 8 erläutert.
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3 zeigt einen Trägerstreifen 22 des Heizmoduls 4, der aus plattenförmigen Pressglimmer besteht. Glimmer ist ein Silikat-Mineral aus natürlichem Vorkommen, das elektrisch isolierend wirkt. Dieser Pressglimmer wird auch als Kunstglimmer oder Mikanit bezeichnet und besteht aus mit einem hitzebeständigen Bindemittel verpressten Glimmer, der bis zu 600°C hitzebeständig ist und eine Spannungs- bzw. Durchschlagsfestigkeit von mehr als 10 kV/mm aufweist. Dieser sehr gute Isolationseigenschaften aufweisende, plattenförmig gepresste Trägerstreifen 22 ist im Bereich seiner Endabschnitte 24, 26 beidseitig verbreitert und jeweils mit einer Zentrierausnehmung 28 versehen, die über einen Schlitz 30 in der Stirnkante 32 des jeweiligen Endabschnittes 24, 26 mündet. Im Bereich dieses Endabschnittes 24, 26 sind des Weiteren Durchbrüche 34 zur Befestigung und Relativpositionierung der Heizmodule 4 ausgeführt. Gemäß 4 wird in einem nächsten Fertigungsschritt der Trägerstreifen 22 mit einem Heizdraht 36 umwickelt, der vorzugsweise aus einem Material besteht, welches seinen Widerstand in einem gewissen Maß mit der Temperatur verändern kann. Als vorteilhaft hat sich dabei ein Nickel-Eisen-(NiFe-)Draht erwiesen, welcher bei einer Temperaturänderung von 100 K eine Widerstandsänderung von ca. 30% erreicht. Typischer Weise hat der Heizdraht 36 eine Abmessung von etwa 0,6 × 0,1 mm. Selbstverständlich sind auch andere Materialien und Geometrien verwendbar. Die Materialwahl sollte jedoch – wie oben ausgeführt – vorzugsweise so erfolgen, dass der Widerstand des Heizdrahtes sich mit der Temperatur vergrößert, so dass das Heizmodul die eingangs beschriebenen selbstregelnden Eigenschaften aufweist. Nach dem Umwickeln des Trägerstreifens 22 werden die Endabschnitte des Heizdrahts 36 mit nicht dargestellten Stromleitelementen kontaktiert. Diese können Kabel oder vorzugsweise Laschen sein, wobei die Befestigung mittels Crimpen oder Schweißen erfolgt.
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Zur Sicherstellung der bei Hochvoltanwendungen erforderlichen Isolation wird beidseitig auf den umwickelten Trägerstreifen 22 eine erste Isolationsschicht 38 aufgebracht, die die Wicklung sowie die Endabschnitte 24, 26 überdeckt. Die oben liegende Isolationsschicht 38 ist in 5 nicht dargestellt. Gemäß 6 haben diese beiden Isolationsschichten 38, zwischen denen die Wicklung sandwichartig angeordnet ist, die Breite der Endabschnitte 24, 26. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Isolationsschichten 38 ebenfalls aus Pressglimmer ausgebildet, wobei in diesen Schichten ebenfalls die vorbeschriebenen Ausnehmungen 34 ausgebildet sind. 6 zeigt die Sandwich-Konstruktion mit den oberen und unteren ersten Isolationsschichten 38, 40. Bei all diesen Darstellungen sind die zur Kontaktierung stirnseitig aus den Heizmodulen 4 heraus geführten Endabschnitte des Heizdrahtes nicht dargestellt. Diese Endabschnitte erstrecken sich durch die Schlitze 30 hinaus nach außen.
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In einem weiteren Fertigungsschritt wird das Zwischenprodukt gemäß 6 mit einer Außenisolation (nicht dargestellt) versehen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist diese Außenisolation durch eine Kunststofffolie, beispielsweise eine Polyimidfolie gebildet, die einlagig um den Sandwichaufbau gemäß 6 gewickelt ist, wobei die stirnseitigen Endabschnitte im Bereich der beiden Stirnkanten 32, 42 (6) offen bleiben. Durch diese doppelte Isolation ist die elektrische Sicherheit nach den für Hochvoltanwendung geltenden Vorschriften gewährleistet.
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Wie in 7 dargestellt, wird in einem nächsten Verfahrensschritt das mit einer doppelten Isolierung versehene Zwischenprodukt mit einem metallischen Außenmantel 44 versehen, der vorzugsweise aus Aluminium besteht und den vorbeschriebenen Aufbau lagefixiert. Gemäß 7 umhüllt dieser Außenmantel 44 den vorbeschriebenen Aufbau, wobei zwischen den benachbarten Längskanten der Umhüllung 44 ein geringer Spalt 46 verbleibt. Diese Umhüllung ist so ausgelegt, dass der Sandwichaufbau mit einer gewissen Vorspannung beaufschlagt ist, so dass die Heizdrahtwicklung 36 sich elastisch und/oder plastisch in den Trägerstreifen 22 eingräbt. Durch das enge Anliegen des beschriebenen Schichtaufbaus ist eine optimale Wärmeübertragung zur Abführung der bei Bestromung des Heizdrahts 38 generierten Wärme an die Umgebung gewährleistet. Die beschriebene Ummantelung 44 lässt die Stirnseiten des Aufbaus im Bereich der Stirnkanten 32, 42 frei.
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Dieses mit einer doppelten Isolation und einem Außenmantel
44 versehene Heizelement
50 wird dann gemäß
8 mit einem Wärmeverteilungselement verbunden, über das die vom Heizdraht
36 abgegebene Wärme auf die den eingangs beschriebenen Luftkanal durchströmende Luft übertragen wird. Dementsprechend wird das Wärmeverteilungselement
46 mit einer möglichst großen Wärmeaustauschfläche ausgeführt. Als besonders geeignet haben sich die eingangs beschriebenen Wellrippen heraus gestellt, die vergleichsweise einfach herstellbar sind und eine maximale Wärmeaustauschfläche und Stabilität bieten. Der Aufbau derartiger Wellrippen ist beispielsweise in den Patenten
EP 1 061 776 B1 und
EP 1 327 834 B1 der Anmelderin beschrieben.
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Zur Erhöhung der Stabilität können die Wärmeverteilungselemente 46 mittels eines Abdeckblechs 52 überdeckt sein. Dieses Abdeckblech 52 kann beispielsweise durch Crimpen, Kleben oder auf sonstige Weise mit dem Wärmeverteilungselement 46 verbunden werden. Dessen Befestigung am Heizelement 50 kann ebenfalls durch Kleben, Löten, Schweißen oder auf sonstige Weise erfolgen.
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Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind jedem Heizelement 50 zwei Wärmeverteilungselemente 46 mit den entsprechenden Abdeckblechen 52 zugeordnet. In 8 sind des Weiteren die Enden 54, 56 des Heizdrahtes 36 dargestellt, die – wie beschrieben – mit Stromleitelementen kontaktiert werden.
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Gemäß den 1 und 2 wird eine Vielzahl derartiger Heizmodule 4 parallel nebeneinander liegend über die Zuganker 6 mit dem Gehäuse 8 verspannt. Wie besonders deutlich aus 9 entnehmbar ist, durchsetzen dabei die Zuganker 6 eine Endplatte 58, wobei auf die auskragenden Endabschnitte der Zuganker 6 jeweils eine Spannmutter 60 aufgeschraubt wird, so dass das Heizmodulpaket 2 durch Anziehen der Spannmuttern 60 mit dem Gehäuse 8 verspannt wird.
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Gemäß 9 durchsetzen die Zuganker dabei die stirnseitigen Zentrierausnehmungen 28, 30, die in den vorbeschriebenen 4 bis 8 lediglich angedeutet sind. Die stromzuführungsseitigen Enden 56 des Heizdrahtes oder der damit verbundenen Stromleitelemente sind mit Stromschienen 60, 62, 64, 66 verbunden, die über nicht dargestellte Stromzuführungen mit der im Gehäuse 8 aufgenommenen Leistungselektronik verbunden sind. Dabei können beispielsweise im Boden des Gehäusekörpers 16 Durchleitungen 68 vorgesehen sein. Der Massekontakt erfolgt in entsprechender Weise über eine einzige Masseschiene, die mit den in 9 unten liegenden Enden 54 bzw. den damit verbundenen Massekontakten kontaktiert ist. Mit dem beschriebenen Aufbau sind somit vier Heizkreise ausgebildet, die entsprechend der erforderlichen Heizleistung über die Leistungselektronik ansteuerbar sind.
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Gemäß den 1, 2 und 9 sind die stirnseitigen Endabschnitte der Heizmodule 4 und entsprechend die Stromschienen 60, 62, 64, 66 und die Masseschiene (nicht dargestellt) von längsseitigen Deckplatten 70, 72 überdeckt, wobei in der Abbildung gemäß 9 die oben liegende, stromzuführungsseitige Deckplatte 70 weggelassen wurde. Diese Deckplatten 70, 72 sind zwischen dem Gehäuse 8 und der Endplatte 58 eingespannt und beispielsweise über Zentrierelemente 74, 76 lagefixiert. In die Deckplatten 70, 72 sind die elektrischen Leitungselemente integriert, über die die Stromschienen 60, 62, 64, 66 und die gemeinsame Masseschiene mit der Leistungselektronik verbunden sind, wobei die Strom-/Masseleitungen die Durchleitungen 68 des Gehäuses 8 durchsetzen.
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Durch die beschriebene Konstruktion wird ein Verbund ausgebildet, über den sichergestellt ist, dass auch bei großen Temperaturänderungen die damit einhergehenden Geometrieänderungen der Bauelemente kompensiert werden können, so dass der gesamte Aufbau stets mit einer hinreichenden Zugspannung beaufschlagt ist und somit eine optimale Wärmeübertragung gewährleistet ist. Dabei können die Zugstangen 6 in gewissem Maße federnd ausgeführt sein. Zusätzlich können Federelemente vorgesehen werden, über die das Heizmodulpaket 2 mit einer Vorspannung beaufschlagt ist. Diese Federelemente könnten beispielsweise an der Endplatte 58 und/oder am Gehäuse 8 abgestützt sein.
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Besonders vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung ist, dass beispielsweise bei vier Heizkreisen entsprechend nur fünf elektrische Durchleitungen 68 in das Gehäuse 8 vorgesehen werden müssen. Aufgrund der Vertikalanordnung der Heizmodule 2 ist es auch auf einfache Weise möglich, einzelne, nebeneinander liegende Bereiche unabhängig voneinander anzusteuern, so dass eine Mehrzonenklimaanlage auf einfache Weise realisierbar ist.
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Die Anmelderin behält sich vor, auf die Vertikalanordnung der Heizmodule 2 alleine eine eigene Anmeldung zu richten.
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Selbstverständlich kann auch eine andere Anzahl von Heizkreisen realisiert sein. Bei dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Stromschiene 60 beispielsweise mit vier Heizmodulen 4 kontaktiert, während die drei anderen Stromschienen 62, 64, 66 des zweiten, dritten und vierten Heizkreises jeweils mit drei Heizmodulen 4 zusammen wirken. Demzufolge wird bei Ansteuerung der Stromschiene 60 über die Leistungselektronik eine höhere Heizleistung als bei Ansteuerung eines der anderen Heizkreise bereit gestellt. Selbstverständlich ist auch die Anzahl der jeweils angesteuerten Heizmodule 4 beliebig variierbar.
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Beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Heizmodulpaket 2 über die Zuganker 6 mit dem Gehäuse 8 verspannt. Anstelle der Zuganker 6 können auch andere Spannmittel verwendet werden, um das Heizmodulpaket 2 in der gewünschten Weise zu verspannen. 10 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Lösung, bei der zur Verspannung des Heizmodulpaketes 2 mit dem nicht dargestellten Gehäuse 8 zwei im Bereich der Stirnseiten des Heizmodulpaketes 2 angreifende Spannbänder 78, 80 verwendet sind, die beispielsweise an dem nicht dargestellten Gehäuse 8 verankert sind und das Heizmodulpaket 2 umgreifen, so dass die Spannkraft aufgebracht wird.
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Bei dieser Variante sind die Längs- und Stirnseiten des Heizmodulpaketes 2 jeweils durch etwa U-förmige Rahmenelemente 82, 84 überdeckt, wobei deren U-Schenkel 86 bzw. 88 gemäß 10 in einem Abstand 90 zueinander angeordnet sind. Die jeweiligen Spannbänder 78, 80 greifen im Bereich dieser U-Schenkel 86, 88 an den Rahmenelementen 82, 84 an, so dass das Heizmodulpaket 2 über die Spannbänder 78, 80 und die Rahmenelemente 82, 84 mit dem nicht dargestellten Gehäuse 8 verspannt sind. Die Spannbänder 78, 80 sind in bekannter Weise mit entsprechenden Verschlüssen versehen, die eine hinreichende Zugfestigkeit aufweisen.
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11 zeigt das Konzept einer weiter vereinfachten Lösung, bei der die beiden U-förmigen Rahmenelemente 82, 84 über ein einziges, mittig angeordnetes Spannband 78 mit einer Spannkraft beaufschlagt werden, wobei Basisteile 92, 94 jeweils mit einer Dachkontur 96 und einer Anlageschulter 98 ausgeführt sind. Entsprechende Anlageschultern 98 sind auch bei den Basisteilen 92, 94 der Rahmenelemente 82, 84 gemäß 10 vorgesehen. Durch diese Ausgestaltung ist die seitliche Führung der Spannbänder 80 verbessert. Die Dachkontur 96 der Basisteile 92, 94 gewährleistet eine optimierte Zugspannungsübertragung auf das Heizmodulpaket 2.
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Insbesondere im Hochvoltbereich mit den vergleichsweise hohen Leistungen sind erhebliche Anstrengungen erforderlich, um die in der Leistungselektronik entstehende Wärme abzuleiten und somit eine Überhitzung der elektronischen Bauelemente zu vermeiden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird diese Wärmeableitung dadurch ermöglicht, dass über den oder die eingangs beschriebenen Kühlkörper 18 die im Gehäusebereich 8 entstehende Wärme in den von der zu klimatisierenden Luft durchströmten Bereich abgeleitet wird.
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Einzelheiten der Kühlung der Leistungselektronik werden anhand der
12 und
13 erläutert.
12 zeigt das Gehäuse
8 bei abgenommenen Deckel
14, so dass eine im Inneren des Gehäusekörpers
16 befestigte Platine
100 der Leistungselektronik sichtbar ist. Die sich aufheizenden Bauelemente der Leistungselektronik, beispielsweise die Halbleiter zur Ansteuerung der Heizkreise sind thermisch mit dem Kühlkörper
18 (siehe auch
1) kontaktiert, über den die in der Leistungselektronik entstehende Wärme zum Luftstrom hin abgeleitet wird. Diese Ableitung wird schematisierten Darstellung gemäß
13 erläutert, die eine stark vereinfachte geschnittene Seitenansicht auf den Aufbau im Bereich des Kühlkörpers
16 zeigt. In dieser Darstellung erkennt man die vereinfacht wiedergegebene Platine
100, auf der beispielhaft ein Halbleiter
102 angeordnet ist, der thermisch mit dem Kühlkörper
18 kontaktiert ist. Dieser ist beispielsweise als Aluminiumdruckgussteil ausgeführt, wie es beispielsweise in der eingangs erwähnten
EP 1 395 098 A1 beschrieben ist.
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Dieser Kühlkörper 18 durchsetzt eine im Boden des Gehäusekörpers 16 vorgesehene Ausnehmung 104 und ragt in den von der aufzuwärmenden Luft durchströmten Bereich der Klimaanlage hinein. Insoweit unterscheidet sich die in 13 dargestellte Lösung nicht von herkömmlichen Systemen. Ein wesentlicher Unterschied besteht jedoch darin, dass der Kühlkörper 18 über die vorbeschriebenen Spannelemente (Zugstangen/Spannbänder) gegen die am Heizmodulpaket 2 (in 13 lediglich angedeutet) abgestützte Trennplatte 20 und die Platine 100 vorgespannt ist. Die Trennplatte 20 ist aus einem thermisch isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff hergestellt, so dass über die Wärmeverteilungselemente 48 abgegebene Wärme nicht auf den Kühlkörper 18 übertragen wird. Um eine mechanische Überlastung der Platine 100 zu vermeiden, kann die Trennplatte 20 oder der Kühlkörper 18 federnd gelagert sein, so dass nicht die gesamte, über die Spannmittel aufgebrachte Spannkraft auf den Kühlkörper 18 wirkt. In jedem Fall ist durch diese Konstruktion eine gute thermische Kontaktierung gewährleistet ist, da das Heizmodulpaket 2 über die Spannmittel mit dem Kühlkörper 18 verspannt ist und somit eine gute Wärmeübertragung von der Platine 100 bzw. den auf dieser angeordneten Bauelemente 102 in Richtung zum durchströmten Querschnitt gewährleistet ist.
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Offenbart sind ein Heizmodul für eine Hochvolt-Heizvorrichtung, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizmoduls und ein mit derartigen Heizmodulen ausgeführter Heizer für ein Kraftfahrzeug. Erfindungsgemäß ist das Heizmodul mit einem Träger aus einem isolierenden Material ausgeführt, auf den ein Heizdraht aufgewickelt ist, der seinerseits thermisch mit einem Wärmeverteilungselement kontaktiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizer
- 2
- Heizmodulpaket
- 4
- Heizmodul
- 6
- Zuganker
- 8
- Gehäuse
- 10
- Anschuss
- 12
- Signalanschluss
- 14
- Deckel
- 16
- Gehäusekörper
- 18
- Kühlkörper
- 20
- Trennplatte
- 22
- Trägerstreifen
- 24
- Endabschnitt
- 26
- Endabschnitt
- 28
- Zentrierausnehmung
- 30
- Schlitz
- 32
- Stirnkante
- 34
- Ausnehmung
- 36
- Heizdraht
- 38
- Isolationsschicht
- 40
- Isolationsschicht
- 42
- Stirnkante
- 44
- Außenmantel
- 46
- Spalt
- 48
- Wärmeverteilungselement
- 50
- Heizelement
- 52
- Abdeckblech
- 54
- Ende Heizdraht
- 56
- Ende Heizdraht
- 58
- Endplatte
- 60
- Stromschiene
- 62
- Stromschiene
- 64
- Stromschiene
- 66
- Stromschiene
- 68
- Durchleitung
- 70
- Deckplatte
- 72
- Deckplatte
- 74
- Zentrierelement
- 76
- Zentrierelement
- 78
- Spannband
- 80
- Spannband
- 82
- Rahmenelement
- 84
- Rahmenelement
- 86
- U-Schenkel
- 88
- U-Schenkel
- 90
- Abstand
- 92
- Basisteil
- 94
- Basisteil
- 96
- Dachkontur
- 98
- Anlageschulter
- 100
- Platine
- 102
- Halbleiter
- 104
- Ausnehmung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0350528 B1 [0003, 0022]
- EP 1407907 B1 [0004]
- EP 1967398 A1 [0005]
- EP 1852878 A1 [0008]
- EP 1061776 B1 [0050]
- EP 1327834 B1 [0050]
- EP 1395098 A1 [0064]
