DE102012212798A1 - Heizelement und Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung des Heizelementes - Google Patents

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DE102012212798A1
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Markus Ulrich
Guido Bernd Finnah
Juergen Hanneke
Dirk Schmiederer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizelement (10) mit mindestens einem thermoelektrischen Heizkörper (12), wobei der Heizkörper (12) zumindest teilweise mit einem Leitmaterial gebildet ist und der Heizkörper (12) über mindestens zwei Leiterbahnen (14, 16) mit elektrischer Energie versorgbar ist. Erfindungsgemäß sind die Leiterbahnen (14, 16) mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere durch Plasmaspritzen gemäß DIN 657, ausgebildet. Infolge der thermisch aufgespritzten Leiterbahnen (14, 16) ergibt sich eine gute elektrische Anbindung der Leiterbahnen (14, 16) an die leitfähigen Partikel innerhalb der Matrix des Leitmaterials des Heizkörpers (12). Ferner ergibt sich eine mechanisch belastbare Anbindung der Leiterbahnen (14, 16) an den Heizkörper (12). Dem Heizkörper (12) kann eine Vielzahl von dreidimensionalen Formen verliehen werden, so dass sich für das Heizelement (10) eine Vielzahl von Anwendungen ergibt. So kann der Heizkörper (12) beispielsweise die Gestalt einer rohrartigen Fluidleitung (50, 56, 70) haben, so dass das Heizelement (10) neben seiner eigentlichen Heizfunktion zugleich auch andere konstruktiv vorgegebene Aufgaben erfüllen kann. Aufgrund dieser Funktionsintegration bzw. Doppelfunktionalität ergeben sich beim Einsatz des erfindungsgemäßen Heizelementes (10) signifikante konstruktive Vereinfachungen und Optimierungsmöglichkeiten, die ein beträchtliches Kosteneinsparungspotenzial in sich bergen. Daneben hat die Erfindung ein Verfahren, insbesondere zur Herstellung des Heizelementes (10), sowie Verwendungen des Heizelementes (10) zum Gegenstand.

Description

  • Stand der Technik
  • Viele Gegenstände beinhalten eine oder mehrere elektrische Heizzonen, um die Wärmeenergie an Gase, Flüssigkeiten oder Festkörper weiterzuleiten. Im Fall von flüssigen Medien, wie z.B. Wasser, Getränke, Lebensmittel, Kraftstoffe, Öle oder Chemikalien sollen diese erwärmt, warmgehalten oder vor dem Einfrieren bewahrt werden. Festkörper werden häufig aus Gründen des Komforts erwärmt oder um die Wärme vorzuhalten für eine weitere Funktion.
  • Bei elektrischen Heizelementen wird beim Durchfließen eines Leiters mit elektrischem Strom aufgrund des elektrischen Widerstandes Joulesche Wärme erzeugt. Die Heizleistung steigt linear mit dem elektrischen Widerstand des Leiters und quadratisch mit dem Strom, der durch den Leiter geflossen ist.
  • In heutigen Kraftfahrzeugen werden, um die Komfort- und Umweltanforderungen zu erfüllen, zum Beispiel elektrische Sitz-, Scheiben- und Außenspiegelheizungen verbaut. Die Beheizung des Fahrzeuginnenraumes wird mit der Elektrifizierung des Autos zunehmend schwieriger werden, da keine Abwärme vom Verbrennungsprozess mehr zur Verfügung steht. Daher sollten aus Gründen der Energieeinsparung oder auch des Komforts im Automobil vorrangig alle Kontaktflächen und Bedienelemente integrierte Heizfunktionen besitzen, damit keine großräumige Erwärmung stattfinden muss. Üblicherweise werden die Elemente mit denen der Benutzer eines Automobils Kontakt hat, indirekt über die Heizluft erwärmt, was zudem lange dauert.
  • Aufgrund der sich stetig verschärfenden Abgasgrenzwerte müssen unter anderem Stickoxide (NOX) im Abgasstrom von Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Dieselmotoren, immer weiter reduziert werden. Ein hierfür verbreitet zum Einsatz kommendes Verfahren ist die katalytische Reduktion (s.g. "SCR-Verfahren = Selective Catalytic Reduction") mit Hilfe eines NOX-Reduktionskatalysators und einem flüssigen Reduktionsmittel, wie zum Beispiel einer Harnstoff-Wasserlösung. Um das Einfrieren des Reduktionsmittels bei tiefen Betriebstemperaturen des Kraftfahrzeugs zu verhindern und eine zuverlässige Funktion des SCR-Systems bei Temperaturen von –12 °C oder darunter zu gewährleisten, müssen in der Regel alle wesentlichen Komponenten eines SCR-Systems aktiv beheizbar ausgebildet sein, woraus ein beträchtlicher technischer Aufwand resultiert.
  • Das Versulzen und Paraffinieren von Dieselkraftstoff stellt heute ein wachsendes Problem beim Einsatz von Dieselmotoren dar. Das Paraffin flockt aus und setzt den Filter zu. Schlechte Filter und Basiskraftstoff von minderer Qualität führen dazu, dass der Dieselkraftstoff sogar bei höheren Temperaturen zum Ausflocken neigt. Diesel-Additive können in diesen Fällen hilfreich sein, beseitigen die Probleme jedoch nicht vollständig und sind zudem teuer. Eine Beheizung des Filters ist häufig notwendig.
  • Filtergehäuse insb. für Kraftstoffe werden auch heutzutage schon beheizt. Jedoch bedarf es hierfür der Montage eines separaten Heizelements. Die vorliegende Erfindung hingegen sieht eine im Filtergehäuse integrierte Heizung vor.
  • Batterien sollten nicht bei niedrigen Temperaturen betrieben werden, da die Lebensdauer dadurch stark beeinträchtigt wird. Insbesondere Autobatterien sind Umgebungseinflüssen ausgesetzt und beim Kaltstart gefährdet. Ein Wärmefluss von Außen benötigt einen langen Zeitraum, um größere Batterieblöcke zu erwärmen.
  • Das Einfrieren von Adaptern, Anschlussstutzen, Düsen, Rohren, Schläuchen, Ventilen oder Verteilern, die von Flüssigkeiten oder Gasen durchflossen werden sollen, führt zum Ausfall von Systemen. Das Entfrosten bzw. durchgehende Beheizen muss von Außen mit hohen Energieverlusten oder komplexen Einbauheizern meist auf PTC-Basis und Isolierungen erfolgen.
  • Aus der DE 10 2006 032 678 A1 ist eine elektrische Heizeinrichtung für ein Spiegelglas, zum Beispiel einen Kraftfahrzeugaußenspiegel, bekannt. Das verwendete Heizelement umfasst ein Vliesmaterial, insbesondere ein Glasfaservlies, das mit einem thermoplastischen Kunststoffmaterial zur Schaffung einer Trägerplatte hinterspritzt ist. Zwischen der Rückseite des Vliesmaterials und dem thermoplastischen Kunststoffmaterial besteht eine stoffschlüssige Verbindung. Auf eine Vorderseite des Vliesmaterials werden mäanderförmige Leiterbahnen aus einem Widerstandsmaterial durch ein thermisches Spritzverfahren gemäß DIN 657 aufgebracht, wobei bevorzugt das so genannte Lichtbogenspritzverfahren zur Anwendung kommt. Die Verbindung zwischen den Endabschnitten der Leiterbahn und den elektrischen Kontakten zum Anschluss einer Versorgungsspannung für die Heizeinrichtung erfolgt bevorzugt durch ein Lötverfahren vor dem Einlegen der Zwischenschicht in das Spritzgießwerkzeug. Durch das Beaufschlagen der Leiterbahn mit einem ausreichend starken elektrischen Strom wird Wärme freigesetzt, die ein Enteisen des Außenspiegels erlaubt und dessen Wiedervereisen im Fahrbetrieb verhindert.
  • Ferner ist es bekannt, Leiterbahnen im Siebdruckverfahren auf ein Kunststoffsubstrat aufzubringen. Alternativ können auch Folien mit aufgedruckten Leiterbahnen, elektrisch leitfähige Klebstreifen oder Leitlacke auf ein Kunststoffbauteil aufgebracht werden. Die Wärmeerzeugung beruht auch in diesen Fällen auf der ohmschen Verlustleitung der stromdurchflossenen Leiterbahnen. Von Nachteil hierbei ist, dass es im Fall eines Bruches nur einer Leiterbahn zumindest zu einem Teilausfall der elektrischen Widerstandsheizung kommen kann. Zudem entsteht die Wärme oberflächlich in den stromdurchflossenen Leiterbahnen und wird aufgrund der für Kunststoffe typisch niedrigen Wärmeleitfähigkeit nur langsam von der Leiterbahnseite des Substrates auf die hiervon wegweisende Seite weiter geleitet. Hieraus resultiert ein träges Ansprechverhalten des Heizelementes.
  • Weiterhin sind aus der DE 44 29 028 A1 elektrisch leitfähige thermoplastische Verbundwerkstoffe sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt.
  • Einer im Reinzustand elektrisch isolierenden Kunststoffmatrix werden elektrisch leitfähige Füllstoffe zur Herstellung eines Leitkunststoffes beigemischt. Hierfür kommen z.B. Metallpulver, Ruß, Kohlefasern, Metallfasern, Lötlegierungen, "CNT" (s.g. Carbon Nano Tubes) oder andere Nanopartikel in Betracht. Der Füllgrad muss ein gewisses Mindestmaß überschreiten, um eine hinreichende Anzahl von elektrisch leitfähigen Pfaden innerhalb des Materialverbundes auszubilden. Ab dieser Perkulationsgrenze ist der elektrische Widerstand nicht mehr unendlich groß und die elektrische Leitfähigkeit nimmt zu. Derartige Verbundwerkstoffe erreichen spezifische elektrische Durchgangswiderstände von unter 5 Ω·cm und enthalten bis zu 70,0 Vol.-% elektrisch leitende Füllstoffe.
  • Eine insbesondere aus Sicherheitsgründen wünschenswerte Eigenschaft ist vielfach die Selbstregelung des Leitkunststoffes in einem bestimmten Temperaturbereich. Der thermische Selbstregelungsbereich lässt sich beispielsweise durch die Mischungsbestandteile, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten, den Füllstoffanteil, den Matrixwerkstoff und/oder die Mischungsverhältnisse in weiten Grenzen einstellen. Bei solchen Leitkunststoffen mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Charakteristik) nimmt der elektrische Widerstand bei steigenden Temperaturen selbsttätig zu, bei gleicher Spannung fließt weniger Strom, so dass es zu keiner Überhitzung des Heizelements kommt und eine hierdurch bedingte Brandgefahr nahezu ausgeschlossen werden kann. Ein Heizelement, das mit einem Leitkunststoff gebildet ist, weist im Verhältnis zu einem Heizelement, das mit einer Leiterbahn als Widerstandsheizelement arbeitet, unter anderem den Vorteil auf, dass die Wärme über das gesamte Volumen des Kunststoffbauteils hinweg gleichmäßig entsteht und freigesetzt wird.
  • Aus der DE 297 22 304 U1 ist ferner eine elektrisch beheizbare Spiegelbaugruppe bekannt. Die Beheizung eines Spiegels erfolgt mittels einer Trägerplatte aus einem Leitkunststoff, auf der der Spiegel befestigt ist. Der elektrische Anschluss ist mit metallischen Anschlusskontakten realisiert, die zum Beispiel vor oder während des Spritzgießvorgangs der Trägerplatte in das Formwerkzeug mit eingelegt werden. Alternativ können die Anschlusskontakte auch nachträglich aufgeklebt oder beispielsweise mittels Ultraschall mit der Trägerplatte verschweißt werden. Die Heizelemente können integrale Bestandteile der Trägerplatte sein, indem diese oder Teile davon aus dem leitfähigen Kunststoff zum Beispiel im Mehrkomponentenspritzgießverfahren geformt und mit den entsprechenden Anschlusskontakten versehen werden. Nachteile dieser elektrischen Kontaktierung liegen unter anderem in der geringen mechanischen Haftung auf der Oberfläche der Trägerplatte und deren thermischer Belastung sowie in der ungünstigen, das heißt insbesondere der recht hochohmigen und wenig kontaktsicheren sowie gegen Vibrationen empfindlichen, elektrischen Ankopplung an die leitfähigen Füllstoffe innerhalb der Matrix des Leitkunststoffes der Trägerplatte.
  • Die DE 20 2010 009 208 U1 hat ein flexibles, flächenhaftes thermoelektrisches Heizelement zum Gegenstand. Das Heizmittel ist mit einem elektrisch leitfähigen Kunststoff gebildet. Die Versorgung des Heizmittels mit Strom im Heizbetrieb erfolgt über leiterbahnförmige Kontaktmittel. Die Kontaktmittel sind beispielsweise mittels elektrisch leitender Klebstoffe am Heizmittel befestigt. Alternativ können die Kontaktmittel auch in das Heizmittel eingebracht oder in diesem aufgenommen sein. Weiterhin ist es möglich, die Kontaktmittel auf einer durch das Heizmittel gebildeten Schicht aufzudrucken oder aufzudampfen. Die Kontaktmittel bestehen aus einem elektrisch leitenden Material, wie zum Beispiel einem Metall wie Kupfer, einem Silberleitlack oder einem Goldleitlack. Alternativ kommen auch kohlenstoffhaltige Werkstoffe, wie beispielsweise Kohlenstofffasern in Betracht. Die Ausbildung der Kontaktmittel gestaltet sich bei diesem Heizelement, insbesondere bei einer komplexen Kontaktmittelführung, verfahrenstechnisch recht aufwändig, schwer reproduzierbar und demzufolge nur wenig prozesssicher.
  • Die DE 36 14141 D2 zeigt auf, dass neben elektrisch leitfähigen Kunststoffen auch auf Basis von keramischen Materialien ein Heizelement aufgebaut werden kann. Es wird eine Keramikmischung aus Siliciumnitrid und Titannitrid verwendet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird ein Heizelement mit mindestens einem thermoelektrischen Heizkörper offenbart, wobei der Heizkörper zumindest teilweise mit einem Leitmaterial gebildet ist und der Heizkörper über mindestens zwei Leiterbahnen mit elektrischer Energie versorgbar ist. Erfindungsgemäß sind die Leiterbahnen mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere durch Plasmaspritzen gemäß DIN 657, ausgebildet.
  • Hierdurch werden eine sehr gute mechanische Haftung der Leiterbahnen auf dem Heizkörper und eine optimale elektrische Kontaktierung mit den Füllstoffen in der Matrix des Leitmaterials erreicht, so dass der Heizkörper sehr zuverlässig mit Strom versorgt werden kann. Daneben verfügen die thermisch aufgespritzten Leiterbahnen über eine hohe Abriebfestigkeit und eine homogene Gefügestruktur, woraus ein geringer elektrischer ohmscher Widerstand und geringe Leitungsverluste resultieren. Die Leiterbahnen erreichen eine Materialstärke von bis zu 1 mm. Daneben gewährleistet das thermische Spritzverfahren eine hohe Wiederholgenauigkeit bzw. Prozesssicherheit und eine große Gestaltungsfreiheit in Bezug auf eine dreidimensionale Strukturierung der Leiterbahnen.
  • Der mit dem Leitmaterial gebildete Widerstandsheizkörper kann beispielsweise spritzgegossen, extrudiert oder gepresst werden. Um elektrisch isolierende Bereiche auszubilden, bieten sich Mehrkomponentenspritzgießverfahren, Lackierverfahren und/oder Schweißverfahren an. Hierdurch lassen sich fluid- und druckdichte Mehrkomponentenheizkörper fertigen, die neben dem Leitmaterial auch isolierende Materialien (Isolatoren) und Werkstoffe bzw. Baugruppen beinhalten können. Als Fluide werden gasförmige und/oder flüssige Medien bzw. Chemikalien aller Art, wie zum Beispiel Wasser, Harnstoff-Wasserlösungen (s.g. "AdBlue®"), Kraftstoffe, Kältemittel, Öle, Lebensmittel, Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Methan, Propan, Butan, Azetylen etc. verstanden.
  • Durch den zumindest teilweise mit dem Leitmaterial gebildeten Heizkörper ist eine gleichmäßige Wärmeabgabe und zugleich eine – im Vergleich zu konventionellen elektrischen Widerstandsheizungen – sehr energieeffiziente Wärmeerzeugung möglich. Darüber hinaus erlauben die Spritzgießverfahren eine Vielzahl von Designoptionen in Bezug auf die räumliche Geometrie des Heizkörpers. Das Leitmaterial kann mit Thermoplasten, mit Duroplasten und/oder mit Elastomeren gebildet sein, die neben anderen physikalischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Festigkeit, Wasseraufnahme und Gewicht, insbesondere eine für die Zielapplikation ausreichende Temperaturfestigkeit aufweisen müssen. Zur weiteren Optimierung seiner mechanischen Eigenschaften kann das Leitmaterial – neben den elektrisch leitfähigen Partikeln – mit einer Faserarmierung versehen sein. Gegebenenfalls kann die Faserarmierung, zum Beispiel im Fall von Kohlefasern, die Funktion der leitfähigen Partikel mit übernehmen. Vorzugsweise ist die Matrix des Leitkunststoffes mit einem temperaturfesten Hochleistungsthermoplast gebildet.
  • Alternativ zum Kunststoff können auch elektrisch leitfähige Keramiken mit Leiterbahnen versehen werden. Dies kann beispielsweise eine Aluminiumoxid-Titannitrid-Keramik sein. Die Formgebung des Grundkörpers kann z.B. über Pressen oder Pulverspritzgießen erfolgen. Es lassen sich im Vergleich zum Kunststoff wesentlich höhere Temperaturen einstellen. Die selbstregelnden Eigenschaften liegen auch den Keramiken zugrunde.
  • Das Spritzverfahren zum Auftragen der Leiterbahnen gewährleistet eine geringe thermische Belastung des Heizkörpers beim Leiterbahnauftrag und hat einen Oberflächenreinigungseffekt. Die Leiterbahnen lassen sich beispielsweise mit metallischen Werkstoffen, wie zum Beispiel Kupfer, Zinn oder Aluminium herstellen. Es lassen sich hierbei Leiterbahnen auftragen, deren Schichtdicke und räumliche Gestalt insbesondere durch die Verfahrgeschwindigkeit des Spritzbrenners, die Temperatur des Spritzstrahls, die Strömungsgeschwindigkeit des Metallpulvers im Spritzstrahl oder durch mehrfaches Überfahren mit dem Spritzbrenner in weiten Grenzen beeinflusst werden kann. Zudem kann der Leiterbahnverlauf auf dem Heizkörper durch entsprechendes Verfahren des Spritzbrenners auf vorprogrammierten Bahnkurven nahezu beliebig komplex gestaltet werden. Ferner ist eine gute elektrische Kontaktierung der aufgesprühten Leiterbahnen zu metallischen Anschlussstellen (Interfacestellen, Kontaktstiften) gegeben, die ein zusätzliches Verlöten oder Verschweißen in der Regel entbehrlich macht. Das Heizelement kann z.B. für beheizte Kontaktflächen, als DNOX-Heizelement oder als universelles Medien- bzw. Fluidheizelement eingesetzt werden.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des Heizelementes sieht vor, dass das Leitmaterial thermisch selbstregelnd ist. Hierdurch sind eine Überhitzung und damit einhergehend eine Brandgefahr nahezu ausgeschlossen. Die Selbstregelung basiert auf einer temperaturbedingten Ausdehnung der Matrix des Leitmaterials, die zu größeren Distanzen zwischen den leitfähigen Partikeln im Leitmaterial führt. Hierdurch erhöhen sich die ohmschen Widerstände der elektrischen Leitpfade innerhalb des Leitmateriales bei zunehmender Temperatur, wodurch die Stromstärke und die Wärmeentwicklung abnehmen.
  • Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung sind die Leiterbahnen jeweils mit mindestens einer elektrischen Anschlussstelle, insbesondere mit mindestens einem Kontaktstift, elektrisch leitend verbunden.
  • Durch die elektrischen Anschlussstellen bzw. Interfacestellen ist eine bevorzugt steckbare elektrische Anbindung der Leiterbahnen an eine externe Stromversorgung, wie zum Beispiel ein elektrisches Gleichspannungsnetz eines Kraft-, Wasser- oder Luftfahrzeugs, möglich. Bei den elektrischen Anschlussstellen kann es sich um metallische Kontaktstifte (s.g. Kontaktpins), Kontaktbahnen, Kontaktfedern, Kontaktbuchsen, Kontaktfahnen, Kontakthülsen, Lötfahnen, Lötaugen, Flachstecker, Rundstecker, Flachsteckhülsen, Rundsteckhülsen, Buchsen, Drähte, Litzen, Stanzgitter oder ähnliches handeln. Die Anschlussstellen sind bevorzugt mechanisch fest mit dem Heizkörper verbunden, das heißt in diesen integriert und/oder auf diesem angeordnet. Hierzu können die metallischen Anschlussstellen mit dem Leitmaterial und/oder dem Isoliermaterial zumindest teilweise umspritzt sein oder nach dem Spritzgießprozess des Heizkörpers in diesen eingebracht und/oder auf diesen aufgebracht werden. Alternativ können die Anschlussstellen auch in den Heizkörper eingeschraubt, mit diesem vernietet oder auf diesen mit einem leitfähigen oder nicht leitfähigen Klebemittel aufgeklebt sein. Das Einpressen oder Einschlagen von Anschlussstellen ist gleichfalls möglich. Eine integrale Ausbildung eines Steckerkastens aus einem Isolationsmaterial zur Aufnahme einer Vielzahl von bevorzugt in einem Raster positionierten Anschlussstellen ist denkbar. Alternativ können die Anschlussstellen auch mit einem leitfähigen Material gebildet sein. Ferner ist es möglich, die Anschlussstellen durch Überfahren mit dem Spritzbrenner im Zuge des thermischen Spritzverfahrens, insbesondere des Plasmaspritzverfahrens, an die Leiterbahnen anzubinden. Auch können die Anschlussstellen durch leitfähige Klebestreifen oder durch das Aufbringen von Leitlack elektrisch angebunden werden.
  • Nach Maßgabe einer weiteren Ausgestaltung des Heizelementes weist der Heizkörper eine im Wesentlichen plattenförmige, eine zylindrische, eine hohlzylindrische oder eine topfförmige Formgebung auf. Um die Leiterbahnstruktur an die zur Verfügung stehende Oberfläche des Heizelementes anzupassen und optimal auszulegen, kann die Leiterbahnstruktur verzweigt, gefächert oder versetzt ausgeführt werden. Eine mögliche Ausgestaltung ist die Ausführung als wechselseitig verschränkte Kammstrukturen. Eine Auslegung mit konstanten elektrischen Widerständen zwischen zwei Punkten auf entgegengesetzt gepolten Leiterbahnen ist optimal, um eine gleichmäßige Aufheizung in der Fläche zu erzielen. Die selbstregelnden Eigenschaften und der hohe Wärmeleitkoeffizient eines thermisch regelnden und elektrisch leitenden Thermoplasten sorgen für einen guten Ausgleich lokaler Temperaturdifferenzen.
  • Hierdurch lässt sich der Heizkörper in eine Vielzahl von verschiedenen Applikationen integrieren. In besonders vorteilhafter Weise wird dem Heizkörper eine Raumform verliehen, die zumindest einen Teilbereich einer mit dem Heizelement auszustattenden Anwendung abbildet. Dies bedeutet, dass das Heizelement neben seiner eigentlichen Heiz- bzw. Wärmfunktion zugleich mindestens eine Aufgabe einer Komponente der hiermit auszurüstenden Applikation mit übernimmt. Da der Heizkörper vorzugsweise im Ein- oder Mehrkomponentenspritzgießverfahren aus dem Leitmaterial und gegebenenfalls anderen Werkstoffen gefertigt wird, kann dem Heizkörper nahezu jede dreidimensionale Gestalt gegeben werden. Beispielsweise übernimmt ein hohlzylindrisches bzw. ein rohrförmiges Heizelement neben seiner eigentlichen Heizfunktion zugleich die Weiterleitungsfunktion eines Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit oder eines Gases. Darüber hinaus kann dem Heizelement zum Beispiel die komplexe Raumform eines Ventilgehäuses oder eines Kugelhahns gegeben werden, so dass das Heizelement zum einen das Einfrieren des Ventils verhindert und zugleich auch die Regelfunktion des Ventils umsetzt. Eine separate Ventilheizung entfällt ersatzlos. Aus dieser Funktionsintegration ergeben sich erhebliche konstruktive Vereinfachungen, die ein beträchtliches Rationalisierungs- und Kosteneinsparungspotenzial bei der Herstellung technischer Geräte aller Art mit sich bringen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Heizelementes sieht vor, dass der Heizkörper zumindest bereichsweise mit einem zusammengefügten Schüttgut, insbesondere mit gesinterten Kugeln und/oder mit gesintertem Granulat, aus dem Leitmaterial gebildet ist. Hierdurch ergibt sich unter anderem eine Vergrößerung der wirksamen Wärmeübergangsfläche des Heizkörpers. Alternativ kann der Heizkörper zum Beispiel auch als ein Hohlprofil ausgebildet sein, wobei innen parallel zur Längsachse verlaufende Stege zur Oberflächenvergrößerung ausgebildet sind. Hierbei können hohlzylindrische bzw. rohrförmige Profile, Rechteckhohlprofile oder Quadrathohlprofile zum Einsatz kommen. Im Fall von hohlzylindrischen Profilen können die Stege zum Beispiel ausgehend von einer Längsachse des Hohlprofils radial nach außen bzw. sternförmig ausgebildet sein.
  • Nach Maßgabe einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist mindestens ein weiterer elektrischer Leiter, insbesondere mindestens eine Leiterbahn, auf dem und/oder im Heizkörper befestigt, insbesondere auf diesen aufgeklebt, aufgeschweißt, aufgelötet oder aufgepresst und/oder in diesen eingespritzt.
  • Hierdurch können erforderlichenfalls weitere, zusätzliche Leiterbahnen mit einer von der thermischen Spritztechnik abweichenden Technologie auf und/oder in dem Heizkörper ausgebildet und/oder befestigt werden.
  • Im Fall einer günstigen Weiterbildung weist der Heizkörper mindestens einen elektrischen Isolierbereich und/oder mindestens eine weitere Komponente auf, wobei der Isolierbereich mit einem elektrischen Isolator, insbesondere mit einem Isolierkunststoff, gebildet ist. Hierdurch können zum Beispiel verschiedene Leitmaterialzonen innerhalb des Heizkörpers durch die Ausbildung von elektrischen Isolationsbereichen bzw. Isolationszonen geschaffen werden. Ferner kann erforderlichenfalls eine weitere konstruktive Komponente oder Baugruppe integral an den Heizkörper angespritzt bzw. in diesen durch andere Verfahrenstechnologien integriert werden. Dies kann zum Beispiel notwendig sein, um die Korrosionsbeständigkeit gegenüber chemisch aggressiven Medien zu erhöhen und/oder die Unbedenklichkeit für Lebensmittel sicherzustellen. Beispielsweise kann ein rohrförmiges Heizelement mit einer Innenauskleidung aus PTFE ausgestattet werden. Hierfür kommen bevorzugt Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren oder Thermoplastschweißverfahren, wie zum Beispiel Ultraschallschweißen, zum Einsatz. Weiterhin können beliebige metallische oder nicht metallische Komponenten bzw. Bauteile oder Baugruppen in den Heizkörper integriert werden. Grundsätzlich kann der Heizkörper mit einer beliebigen, für die jeweilige Zielapplikation des Heizelementes geeigneten metallischen und/oder nichtmetallischen Materialkombination, gefertigt werden.
  • Variationen in den Wanddicken des leitfähigen Materials können gezielt genutzt werden, um auf der Bauteiloberfläche lokal unterschiedliche Erwärmungen zu erzeugen.
  • Zudem kann bei der Formgebung des Heizkörpers aus Leitmaterial über die Abformgeschwindigkeit die Ausbildung der elektrischen Leitfähigkeit beeinflusst werden. Beim Spritzgießen ist außerdem die Definition der Anspritzpunkte maßgeblich für die spätere elektrische Leitfähigkeit des Heizelements.
  • Dem Herstellungsprozess zwischengeschaltete Temperverfahren können eine Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit des Leitmaterials bewirken.
  • Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes, insbesondere eines Heizelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einem thermoelektrischen Heizkörper offenbart, wobei der Heizkörper zumindest teilweise mit einem Leitmaterial gebildet ist und der Heizkörper über mindestens zwei Leiterbahnen mit elektrischer Energie versorgbar ist.
  • Erfindungsgemäß ist das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet:
    • a) Herstellen eines thermoelektrischen Heizkörpers mit einem Leitmaterial,
    • b) Aufbringen der Leiterbahnen auf den Heizkörper mittels eines thermischen
    • Spritzverfahrens, insbesondere durch Plasmaspritzen gemäß DIN 657, und
    • c) Herstellen von mindestens zwei elektrischen Anschlussstellen zur elektrischen
    • Kontaktierung der Leiterbahnen.
  • Das Herstellen des thermoelektrischen Heizkörpers im Verfahrensschritt a) erfolgt bevorzugt im Spritzgießverfahren, das eine hohe Gestaltungsfreiheit bezüglich der dreidimensionalen Formgebung des Heizkörpers ermöglicht. Das Aufbringen der Leiterbahnen mittels eines thermischen Spritzverfahrens im Zuge des Verfahrensschrittes b) erlaubt es, die metallischen Leiterbahnen elektrisch kontaktsicher mit dem Heizkörper, der zumindest bereichsweise mit einem Leitmaterial gebildet ist, zu verbinden. Das thermische Spritzverfahren gewährleistet zudem eine weitgehend freie Gestaltung des Leiterbahnverlaufs. Darüber hinaus ermöglicht das thermische Spritzverfahren eine mechanisch und elektrisch sehr zuverlässige Anbindung der Leiterbahnen an den Heizkörper. Im abschließenden Verfahrensschritt c) werden mindestens zwei elektrisch leitende, bevorzugt metallische Anschlussstellen zur elektrischen Anbindung der Leiterbahnen und damit des Heizkörpers an eine externe Stromversorgung ausgebildet. Die elektrischen Anschlussstellen können hierbei zum Beispiel durch Aufschweißen, Einschmelzen, Einschlagen oder Einpressen von metallischen Kontaktstiften (s.g. Kontaktpins), Kontaktbahnen, Kontaktfedern, Kontaktbuchsen, Kontaktfahnen, Kontakthülsen, Lötfahnen, Lötaugen, Flachsteckern, Rundsteckern, Flachsteckhülsen, Rundsteckhülsen, Buchsen, Drähten, Litzen, Stanzgittern oder dergleichen auf dem oder innerhalb des Heizkörpers hergestellt werden. Hierbei wird aufgrund des sich ergebenden mechanischen Kontaktes in der Regel zugleich eine leitfähige Verbindung zwischen den Leiterbahnen und den Anschlussstellen geschaffen. Ergänzend können zwischen den Anschlussstellen und den Leiterbahnen Löt- und/oder Schweißverbindungen vorgesehen sein, um die elektrische Leitfähigkeit weiter zu erhöhen. Etwaige Schweißverbindungen werden bevorzugt mittels Laserschweißen hergestellt.
  • Alternativ kann die Reihenfolge der Verfahrensschritte b) und c) vertauscht bzw. es können die Verfahrensschritte b) und c) auch zeitgleich ausgeführt werden. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass eine innige elektrische Kontaktierung und eine feste mechanische Verbindung zwischen den Leiterbahnen und den Anschlussstellen bereits im Zuge des thermischen Spritzverfahrens ausgebildet werden. Denn beim thermischen Aufspritzen der Leiterbahnen wird metallisches Material zumindest bereichsweise mit auf die Anschlussstellen aufgespritzt und geht mit diesen eine intensive elektrische und mechanische Verbindung ein. Bei einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die mindestens zwei elektrischen Anschlussstellen im Verfahrensschritt a) ausgebildet werden. Hierdurch erübrigt sich die separate Schaffung der elektrischen Anschlussstellen nach dem Abschluss des Spritzgießprozesses. So können die Anschlussstellen vor dem Spritzgießprozess mit in das für den Spritzgießprozess eingesetzte Formwerkzeug eingelegt werden.
  • Darüber hinaus wird eine Verwendung mindestens eines erfindungsgemäßen Heizelementes als Fluidleitung offenbart.
  • Hierdurch kann beispielsweise das Gefrieren eines durchzuleitenden Fluids, zum Beispiel in der Form einer Harnstoff-Wasserlösung innerhalb eines SCR-Systems, verhindert werden. Das Heizelement erlaubt dabei eine Funktionsintegration dergestalt, dass die Fluidleitung mit dem integrierten Heizelement bzw. das als Fluidleitung ausgebildete Heizelement zum einen die eigentliche Leitungsfunktion innehat und zum anderen die Aufgabe einer separaten thermoelektrischen Widerstandsheizung mit übernimmt. Die Fluidleitung kann starr und/oder zumindest abschnittsweise flexibel sein und eine beliebige Querschnittsgeometrie aufweisen. Ferner wird eine Verwendung mindestens eines Heizelementes in einer Fluidfunktionseinheit, insbesondere in einem Fluidwärmer, in einem Adapter, in einer Düse, in einer Drossel, in einem Ventil, in einem Verteiler oder in einem Filtergehäuse eines Filters offenbart.
  • Hierdurch ergibt sich aufgrund der dem Heizelement innewohnenden Doppelfunktion in Gestalt einer thermoelektrischen Widerstandsheizung und als Fluidfunktionseinheit eine Funktionsbündelung, die unter anderem zu einer Kostenreduzierung im Herstellungsprozess führt und neue Anwendungsfelder erschließt. Darüber hinaus wird eine Verwendung mindestens eines Heizelementes in einem Gebrauchsgegenstand, insbesondere in einem Lebensmittelwärmer, in einem Aquarienheizstab, in einem beheizten Griff, in einem Lenkrad, in einem Spiegel, in einer Sitzheizung, insbesondere für Hartschalensitzen zum Beispiel für Fußballstadien, in einem Bügeleisen, insbesondere als Bügelsohle, in einem Akkumulator, in Heizungen in Türschlössern, in Dachabläufen bzw. Dachrinnen, in beheizten Papierrollen in Kopiergeräten, insbesondere in einem Gehäuse eines Bleiakkumulators oder innerhalb einer Kontaktfläche von elektrischen Geräten (z.B. Armaturen von PKW, Computermaus, Handy mit Taschenwärmerfunktion), offenbart.
  • Die Verwendung des Heizelementes als Lebensmittelwärmer ermöglicht unter anderem eine herstellungstechnisch einfache Fertigung. Darüber hinaus verfügt der Lebensmittelwärmer über ein geringes Gewicht, lässt sich fertigungstechnisch leicht einstückig zum Beispiel im Mehrkomponentenspritzgießverfahren und/oder im Thermoplastschweißverfahren herstellen und generiert bereits bei kleinen Stromstärken eine zum gleichmäßigen Erhitzen oder Warmhalten ausreichende Wärmemenge. Demzufolge ist der Lebensmittelwärmer insbesondere für den mobilen Einsatz in Land-, Wasser- sowie Luftfahrzeugen prädestiniert. Beispiele für einen Lebensmittelwärmer sind: Kaffeebecher, Babykostwärmer oder Campingkocher. Mit einem erfindungsgemäßen Lebensmittelwärmer erweitert um eine Anschlussleitung ist auch die Realisierung von beheizten Brunnen oder Tiertränken gegeben.
  • Der Einsatz des Heizelementes zur Schaffung einer Bügelsohle für ein Bügeleisen, insbesondere für ein Reisebügeleisen, führt zum einen zu einem geringen Gesamtgewicht des Bügeleisens. Darüber hinaus vereinfacht sich der Fertigungsprozess der Bügelsohle, da zum Beispiel Bohrungen und Ausnehmungen im Spritzgießverfahren leichter herstellbar sind und zudem das Aufbringen einer Gleitbeschichtung auf die Bügelsohle entfällt. Ein mit dem erfindungsgemäßen Heizelement ausgestatteter Bleiakkumulator kann beheizt werden, so dass der übliche elektrische Leistungsabfall bei tiefen Temperaturen, der bei Kraftfahrzeugen im Winterbetrieb oftmals zu Kaltstartschwierigkeiten führt, nicht mehr auftritt. Das Heizelement kann beispielsweise zwischen wenigstens zwei Bleiplatten innerhalb des Gehäuses des Bleiakkumulators positioniert werden. Alternativ ist es möglich, das Gehäuse des Bleiakkumulators selbst zumindest bereichsweise als Heizelement auszubilden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Anhand der Zeichnung soll die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben werden.
  • Es zeigt:
  • 1 eine Basisvariante eines erfindungsgemäßen Heizelementes mit einem plattenförmigen Heizkörper,
  • 2 einen im Wesentlichen rohrförmigen Fluidwärmer mit integriertem Heizelement,
  • 3 eine Schnittdarstellung eines Bleiakkumulators mit eingebautem Heizelement,
  • 4 eine erste Ausführungsform eines als Fluidleitung ausgebildeten Heizelementes,
  • 5 eine zweite Ausführungsform eines als Fluidleitung ausgebildeten Heizelementes,
  • 6 eine dritte Ausführungsform eines als Fluidleitung ausgebildeten Heizelementes,
  • 7 eine Querschnittsdarstellung eines Lebensmittelwärmers mit einem Heizelement,
  • 8 einen Längsschnitt durch einen Adapter mit einem Heizelement,
  • 9 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie IX-IX in 8,
  • 10 eine Seitenansicht des Adapters gemäß 8,
  • 11 ein als Bügelsohle für ein Bügeleisen ausgebildetes Heizelement in einer Draufsicht,
  • 12 eine Ausführungsvariante eines Heizelementes für eine Bügelsohle eines Bügeleisens,
  • 13 einen Querschnitt einer Bügelsohle mit einem keilförmigen Höhenprofil für eine gleichmäßige Heizleistung, und
  • 14 eine Querschnittsdarstellung durch einen Filter mit einem Filtergehäuse, in das ein Heizelement integriert ist,
  • 15, 16, 17, 18 eine Basisvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizelementes zum Einsatz als Heizpatrone,
  • 19, 20 eine Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Heizelement beheizbaren Lenkrades,
  • 21, 22 eine Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizelementes als Griffheizung und
  • 23, 24 und 25 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizelementes als Kontaktflächenheizung und
  • 26 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizelementes als Abwicklung einer zylindrischen Mantelfläche.
  • Ausführungsformen
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Basisvariante eines plattenförmigen Heizelementes.
  • Das Heizelement 10 umfasst unter anderem einen quaderförmigen Heizkörper 12, der mit einem Leitmaterial gebildet ist. Auf einer nicht bezeichneten Oberseite des Heizkörpers 12 verlaufen zwei elektrische Leiterbahnen 14, 16 parallel beabstandet zu einander. Zwischen den Leiterbahnen 14, 16 besteht aufgrund des Leitmaterials ein ohmscher (Volumen-)Widerstand R. Innerhalb des ohmschen Widerstandes R des Heizkörpers 12 führt ein Strom I bei einer zwischen den beiden Leiterbahnen 14, 16 anliegenden Spannung U zu einer thermischen Verlustleistung P gemäß den Beziehungen und, die als Wärme bzw. als hier gewünschte Heizwärme emittiert wird. Der Strom I verläuft im Wesentlichen in einer Querrichtung zwischen den Leiterbahnen 14, 16 bzw. senkrecht zu diesen durch den Heizkörper 12. Abweichend von der gezeigten, parallel beabstandeten Anordnung der zwei Leiterbahnen 14, 16, können diese wahlweise auf der Oberseite und/oder Unterseite des Heizkörpers 12 in beliebiger Anzahl vorgesehen sein. Ferner können die Leiterbahnen einen von der 1 abweichenden Verlauf aufweisen und zum Beispiel mäandrierend oder kurvenförmig ausgebildet sein. Alternativ können die Leiterbahnen auch an nicht bezeichneten Stirnflächen des Heizkörpers 12 aufgebracht sein.
  • Die Leiterbahnen 14, 16 werden erfindungsgemäß mittels eines thermischen Spritzverfahrens gemäß DIN EN 657, insbesondere mittels eines Plasmaspritzverfahrens, auf den Heizkörper 12 aufgebracht und können zum Beispiel mit Kupfer, Zinn oder Aluminium gebildet sein. Das thermische Spritzverfahren gewährleistet eine elektrisch wirkungsvolle Verbindung zwischen den Leiterbahnen 14, 16 und den leitfähigen Partikeln innerhalb des Leitmaterials des Heizkörpers 12. Darüber hinaus ermöglicht das thermische Spritzen eine mechanisch hoch belastbare Anbindung der Leiterbahnen 14, 16 an den Heizkörper 12 bzw. dessen Ober-, Unterseite und/oder Stirnseiten. Innerhalb des Heizkörpers 12 wird die Wärme gleichmäßig freigesetzt, wodurch sich eine sehr homogene Wärmeverteilung ergibt. Aufgrund der bevorzugt selbstregelnden Charakteristik des eingesetzten Leitmaterials ist eine Überhitzung des Heizkörpers 12 nahezu ausgeschlossen. Ein weiterer Vorteil des Leitmaterials liegt darin, dass bereits bei niedrigen Betriebsspannungen bzw. Strömen recht hohe Temperaturen erreichbar sind, wodurch das Heizelement 10 insbesondere für einen energieeffizienten Einsatz in mobilen Anwendungen, wie zum Beispiel in Kraftfahrzeugen, prädestiniert ist. Der elektrische (Volumen-)Widerstand R zwischen den Leiterbahnen 14, 16 des Heizelementes 10 beträgt beispielsweise 60 Ω. Durch das Anlegen einer Gleichspannung von beispielsweise 12 Volt ergibt sich dann infolge des selbstregelnden Leitmaterials ein maximaler Strom I von 0,2 A, der die Aufheizung des Heizelementes 10 bis auf eine Temperatur von 50 °C bei einer Leistungsaufnahme von 2, 4 W bewirkt. Der Leitkunststoff erlaubt ferner eine mediendichte Umspritzung mit einer nachgewiesenen Druckfestigkeit von mindestens 1 bar.
  • Zur weiteren elektrischen Kontaktierung der Leiterbahnen 14, 16, zum Beispiel dem Bordstromnetz eines Kfz, dienen zwei elektrische Anschlussstellen 18, 20, von denen die Anschlussstelle 18 exemplarisch mit einem Minuspol und die Anschlussstelle 20 mit einem Pluspol der nicht dargestellten Gleichstromversorgung verbunden ist. Alternativ kann auch eine Speisung des Heizelementes 10 mittels Wechselstrom erfolgen. Der plattenförmige bzw. quaderförmige Heizkörper 12 repräsentiert die einfachste geometrische Gestaltungsoption eines Heizkörpers 12. Grundsätzlich kann dem Heizkörper 12 jede beliebige räumliche Geometrie verliehen werden, die über ihre eigentliche Heizungsaufgabe hinaus weitere konstruktive Funktionen innerhalb einer Vorrichtung mit übernehmen kann. Im weiteren Fortgang der Beschreibung sind alle Heizelemente 10 – einschließlich der zugehörigen Leiterbahnen 14, 16 sowie der elektrischen Anschlussstellen 18, 20 unbeschadet der geometrischen Formgebung des Heizkörpers 12 und/oder ihrem Verwendungszweck – jeweils durchgehend mit den Bezugsziffern 10 bis 20 versehen.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 sind die Anschlussstellen 18, 20 als metallische Kontaktstifte bzw. Kontaktfahnen 22, 24 (Flachsteckkontakte) ausgebildet, auf die zum Beispiel entsprechende Flachstecker bzw. Buchsen aufsteckbar sind. Die Anschlussstellen 18, 20 können beispielsweise mit Kupfer, Zinn oder Aluminium gebildet sein. Alternativ können Drähte, Litzen oder Flachbandleitungen zur Schaffung der Anschlussstellen 18, 20 auch direkt an die Kontaktstifte 22, 24 angelötet oder zum Beispiel mittels Laserstrahlschweißen angeschweißt werden. Die Kontaktstifte 22, 24 selbst können in den Heizkörper 12 eingeschmolzen, eingepresst oder auf andere Art und Weise darin mechanisch verankert werden. Alternativ können die Kontaktstifte 22, 24 zum Beispiel beim Spritzgießen des Heizkörpers 12 mit in das Formwerkzeug eingelegt werden und werden dann vom Leitmaterial umflossen. Um eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktstiften 22, 24 und den Leiterbahnen 14, 16 zu schaffen, werden die Leiterbahnen 14, 16 in vorteilhafter Weise bis an freiliegende Sockel 26, 28 der Kontaktstifte 22, 24 aufgespritzt. Um einen einwandfreien elektrischen Kontakt zu gewährleisten, schließen die Sockel 26, 28 bevorzugt bündig mit der Oberseite des Heizkörpers 12 ab. Alternativ können andere elektrische Kontaktierungsmöglichkeiten eingesetzt werden. Zum Beispiel können die Kontaktstifte 22, 24 auch direkt auf die Leiterbahnen 14, 16 aufgelötet werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Kontaktstifte 22, 24 aus dem Leitmaterial des Heizkörpers 12 herzustellen oder für die Kontaktstifte 22, 24 einen anderen Leitkunststoff bzw. eine Leitkeramik einzusetzen. Grundsätzlich können alle Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere sowie Keramiken mit und ohne Faserarmierung als Matrixmaterial für das Leitmaterial und darüber hinaus als Isoliermaterial dienen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Faserarmierung in der Matrix des Leitmaterials neben ihrer mechanischen Verstärkungsaufgabe zugleich die elektrische Leitungsfunktion mit übernimmt.
  • Die 2 illustriert in einer schematischen perspektivischen Ansicht einen Fluidwärmer, der mit einem erfindungsgemäßen Heizelement 10 ausgerüstet ist.
  • Der Fluidwärmer 30 umfasst unter anderem das hier hohlzylindrisch bzw. rohrförmig ausgebildete Heizelement 10 mit den zwei Leiterbahnen 14, 16, die mit den Anschlussstellen 18, 20 elektrisch leitend verbunden sind. An beiden Enden des Heizelementes 10 ist jeweils ein Endstück 32, 34 ausgebildet bzw. integral angeformt. Jedes Endstück 32, 34 verfügt über einen rohrförmigen Stutzen 36, 38, wobei das Endstück 32 zusätzlich mit einem Steckerkasten 40 zur Aufnahme der Anschlussstellen 18, 20 und eines nicht dargestellten Steckers ausgestattet ist. Das Heizelement 10 erstreckt sich somit nur in einem Abschnitt des Fluidwärmers 30. Über die Anschlussstellen 18, 20 erfolgt die elektrische Verbindung der Leiterbahnen 14, 16 mit einer nicht dargestellten elektrischen Energieversorgung. Die Endstücke 32, 34 sind zum Beispiel mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet, der bevorzugt beim Spritzgießen des Heizkörpers 12 mit an diesen, beispielsweise im Wege eines Mehrkomponentenspritzgießverfahrens, angespritzt wird. Der Fluidwärmer 30 kann zum Beispiel in SCR-Systemen zur NOX-Reduktion im Abgasstrom von Dieselmotoren eingesetzt werden. In diesen Systemen kann der Fluidwärmer 30 in vorteilhafter Weise beispielsweise in Leitungen für das Reduktionsmittel eingeschleift werden, um deren Einfrieren bei Temperaturen von –12 °C oder darunter zu verhindern. Die Zu- bzw. die Abfuhr des Reduktionsmittels erfolgt hierbei über die Stutzen 36, 38.
  • Die 3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Bleiakkumulator, der mit dem erfindungsgemäßen Heizelement 10 ausgestattet ist.
  • Der Bleiakkumulator 42 umfasst ein Gehäuse 44 mit zwei in einem nicht bezeichneten Elektrolyten aufgenommenen Bleiplatten 46. Zwischen den Bleiplatten 46 ist das hier plattenförmige Heizelement 10 mit beidseitig auf dem Heizkörper 12 aufgebrachten Leiterbahnen 14, 16 angeordnet. Zwischen dem Heizelement 10 und den Bleiplatten 46 besteht jeweils ein kleiner, nicht bezeichneter Zwischenraum. Das Heizelement 10 wird im Bedarfsfall, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, zur Wärmeerzeugung über die Anschlussstellen 18, 20 mit Strom beaufschlagt und ermöglicht das Aufwärmen des Bleiakkumulators 42 bzw. des Elektrolyten. Aufgrund des bevorzugt großflächigen Heizkörpers 12 ist eine schnelle Erwärmung des Elektrolyten möglich. Hierdurch kann die Kaltstartfähigkeit eines Kraftfahrzeugs auch bei widrigen Umgebungseinflüssen stets sichergestellt werden. Der zum Beheizen des Heizelementes 10 notwendige Strom wird bevorzugt aus einer externen Quelle, wie zum Beispiel dem öffentlichen Stromnetz, einem Solarpanel, einem Primärelement oder dergleichen entnommen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Strom jedoch zumindest teilweise aus dem Bleiakkumulator 42 selbst entnommen, wodurch dieser bei tiefen Temperaturen zunächst weiter entladen wird. Dieser Effekt wird jedoch durch die infolge der Wärmefreisetzung schnell wieder ansteigende elektrische Leistungsfähigkeit des Bleiakkumulators 42 – vergleichbar mit einer positiven Rückkopplung – zum überwiegenden Teil kompensiert. Zu diesem Zweck sind der Pluspol und der Minuspol ("+" und "–" Zeichen mit Kreis) des Akkumulators 42 mit den Anschlussstellen 18, 20 elektrisch leitend verbunden. Zur elektrisch isolierenden Durchführung der Anschlussstelle 20 verfügt die Leiterbahn 14 über eine kleine Ausnehmung 48. Anstelle des Bleiakkumulators 42 können auch andere Sekundärelemente, die auf alternativen chemischen Systemen basieren, mit mindestens einem Heizelement 10 ausgestattet werden.
  • Die 4 zeigt eine erste Ausführungsform des Heizelements 10, das als Fluidleitung für ein gasförmiges oder flüssiges Medium ausgebildet ist. Im einfachsten Fall einer beheizbaren Fluidleitung sind das Heizelement 10 bzw. der Heizkörper 12 als ein starres oder flexibles hohlzylindrisches Element bzw. als ein Rohr oder eine flexible Schlauchleitung ausgebildet. Das Heizelement 10 kann sich über einen Abschnitt der Fluidleitung oder über dessen gesamte Länge hinweg erstrecken.
  • In einer Fluidleitung 50 gemäß 4 ist das Heizelement 10 als ein Hohlprofil mit einer näherungsweise quadratischen Außen- und Innengeometrie ausgestaltet. Zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeübergangsfläche sind in einem nicht bezeichneten Innenraum der Fluidleitung 50 zwei Stege 52, 54 vorgesehen, die sich im Bereich einer gleichfalls nicht mit einer Bezugsziffer versehenen Längsachse der Fluidleitung 50 rechtwinklig durchdringen. Der Heizkörper 12 und die beiden Stege 52, 54 sind bevorzugt einstückig, zum Beispiel aus dem Leitkunststoff extrudiert und stellen die Fluidleitung 50 dar. Damit übernimmt das Heizelement 10 neben seiner eigentlichen Heizfunktion zusätzlich die Aufgabe einer Rohrleitung bzw. einer Schlauchleitung, wodurch sich die Anzahl der notwendigen Bauteile reduziert und sich ein beträchtliches Einsparpotenzial ergibt. Ein die Fluidleitung 50 durchströmendes Medium kann auf energieeffiziente Weise mittels des Heizelementes 10 angewärmt und zugleich geführt werden. Die Stromzufuhr erfolgt durch die hier nicht näher dargestellten Anschlussstellen sowie die Leiterbahnen 14, 16. Die Leiterbahnen 14, 16 werden bevorzugt wiederum mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Plasmaspritzen, ausgebildet. Ergänzend können weitere Leiterbahnen durch Aufkleben, Aufschweißen, Einpressen oder Umspritzen während des Spritzgießvorgangs ausgebildet werden. Die nicht bezeichneten Anschlussstellen werden entsprechend zu den Ausführungen im Rahmen der Erläuterung der 1 hergestellt. Zur Erhöhung der Korrosionsfestigkeit bzw. der Sicherstellung der Lebensmittelechtheit kann die Fluidleitung 50 innen zumindest bereichsweise mit einem so genannten Lining ausgekleidet sein, wobei das Lining bzw. die Innenauskleidung mit einem anderen Kunststoff als dem Leitkunststoff ausgebildet wird. Eine Innenauskleidung kann auch zur elektrischen Isolierung im Fall von leitfähigen Fluiden notwendig sein. Das Lining kann zum Beispiel durch Mehrkomponentenextrusion mit Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt werden. In besonders vorteilhafter Weise kann die Fluidleitung 50 in einem SCR-System eines Kraftfahrzeugs als Reduktionsmittelleitung eingesetzt werden.
  • Die 6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Fluidleitung.
  • Im Unterschied zur ersten Ausführungsform gemäß 4 weist der gleichfalls als Fluidleitung 56 ausgebildete Heizkörper 12 eine näherungsweise kreisringförmige bzw. rohrförmige Querschnittsgeometrie auf. Zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeübergangsfläche sind in einem nicht bezeichneten Innenraum drei Stege 58, 60, 62 vorgesehen, die sich im Bereich einer nicht mit einer Bezugsziffer versehenen Längsachse der Fluidleitung 56 durchdringen und sechs nicht bezeichnete Sektoren von jeweils etwa 60° bilden. Durch die freien Querschnittsflächen dieser Sektoren fließt ein mittels der Fluidleitung 56 zu leitendes und aufzuheizendes gasförmiges oder flüssiges Medium. Im Bereich einer Außenwandung 64 sind ferner zwei Isolierbereiche 66 vorgesehen, die mit einem elektrisch isolierenden Kunststoff (Isolierkunststoff) gebildet sind. Durch die Isolierbereiche 66 ist unter anderem sichergestellt, dass der Strom auch durch die Stege 58 bis 62 und nicht ausschließlich durch die Außenwandung 64 fließt. Die Stege 58 bis 62 und das Heizelement 10 mit dem Heizkörper 12 sowie die beiden Isolierbereiche 66 werden beispielsweise mittels des Mehrkomponentenextrusionsverfahrens bevorzugt einstückig aus dem Leitkunststoff und dem Isolierkunststoff hergestellt. Die Herstellung der Leiterbahnen 14, 16 sowie der nicht dargestellten Anschlussstellen 18, 20 erfolgt analog zu der im Rahmen der 1 erläuterten Vorgehensweise. Sowohl die Isolierbereiche 66 als auch die Außenwandung 64 der Fluidleitung 56 sind bevorzugt mit dem Isolierkunststoff gebildet. Abweichend von den dargestellten drei Stegen 58 bis 62 können nur ein, zwei oder auch mehr als drei Stege 58 bis 62 vorgesehen sein. Da das Heizelement 10 zugleich die Fluidleitung 56 ist, kann ein die Fluidleitung 56 durchströmendes Fluid – im Vergleich zu einer Rohrleitung mit externer Widerstandsheizung – sehr energieeffizient erwärmt bzw. temperiert werden.
  • Die 6 illustriert eine Querschnittsdarstellung durch eine dritte Ausführungsform einer Fluidleitung.
  • Der konstruktive Aufbau der Fluidleitung 70 mit dem Heizelement 10, dem Heizkörper 12, den Leiterbahnen 14, 16 sowie den Isolierbereichen 66 in der Außenhülle 64 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Fluidleitung 56 in 5. Im Unterschied zur Fluidleitung 56 mit den drei Stegen ist der nicht bezeichnete Innenraum hier vollständig mit einem Schüttgut 72 zur weiteren Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche ausgefüllt. Das Schüttgut 72 ist bevorzugt mit Kugeln und/oder mit einem Granulat aus dem Leitmaterial gebildet, die fest miteinander, zum Beispiel durch Sintern, zu einer kompakten Einheit zusammengefügt sind und die zugleich mit einer nicht bezeichneten Innenwand der Fluidleitung 70 fest verbunden sind. Das Schüttgut 72 kann beispielsweise in einem zusätzlichen Fertigungsschritt unter Anwendung von Druck und Temperatur in der Fluidleitung 70 gesintert werden. Diese Einheit bzw. Kugelpackung weist jedoch noch genügend Kavitäten auf, um einen weitgehend ungehinderten Durchtritt eines Fluides zu erlauben. Das Schüttgut 72 ist hier als ein komplex geformter Teil des Heizelements 10 bzw. des Heizkörpers 12 aufzufassen. Das Schüttgut 72 mit seiner extrem großen Oberfläche hat eine sehr große Wärmeübergangsfläche zur Folge, so dass sich ein Fluid in kurzer Zeit auf hohe Temperaturen erhitzen lässt. Dies führt zu einem optimalen zeitlichen Ansprechverhalten des Heizelementes 10.
  • Die 7 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Lebensmittelwärmers mit integriertem erfindungsgemäßem Heizelement.
  • Der Lebensmittelwärmer 80 umfasst unter anderem ein doppelwandiges Gehäuse 82, in das ein in dieser Konstellation topfförmig ausgebildeter Heizkörper 12 als Heizelement 10 aufgenommen ist. Das doppelwandige Gehäuse 82 besteht bevorzugt aus einem lebensmittelverträglichen und hinreichend temperaturbeständigen Isolierkunststoff und bildet einen Innenraum 84 zur Aufnahme der zu erwärmenden Lebensmittel oder anderer Stoffe. Zur Erhöhung der mechanischen Belastbarkeit kann der Isolierkunststoff eine Armierung mit elektrisch nicht leitenden Verstärkungsfasern aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der 7 ist der Innenraum 84 exemplarisch teilweise mit einer Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, angefüllt. Mit Hilfe des Lebensmittelwärmers 80 lassen sich Lebensmittel aller Art sowohl auf Serviertemperatur bringen als auch nur auf dieser halten. Die Beaufschlagung des Heizkörpers 12 mit elektrischer Energie erfolgt über die beiden Leiterbahnen 14, 16 sowie die hiermit elektrisch verbundenen Anschlussstellen 18, 20. Die Leiterbahnen 14, 16 sind hier korrespondierend zum Heizkörper 12 sowie dem doppelwandigen Gehäuse 82 gleichfalls topfförmig, flächenhaft (Flächenelektroden) ausgestaltet. Zur elektrisch isolierenden Durchführung der Anschlussstelle 20 ist in die Leiterbahn 16 sowie das Gehäuse 82 eine kleine unterseitige Ausnehmung 86 eingelassen. Um die Energieverluste beim Erwärmen zu verringern, kann der Lebensmittelwärmer 80 mit einem nicht dargestellten Deckel versehen sein. Der Heizkörper 12 mit der hier näherungsweise U-förmigen Querschnittsgeometrie gewährleistet eine gleichmäßige und schnelle Erwärmung der Lebensmittel, wobei bereits mit Gleichspannung in einem Bereich von bis zu 48 Volt ausreichend hohe Temperaturen im Innenraum 84 erreichbar sind. Die bereits bei geringen Gleichspannungen hohe Wärmeerzeugung des Heizelementes 10 prädestiniert den Lebensmittelwärmer 80 insbesondere für den energieeffizienten Einsatz in mobilen Applikationen, wie zum Beispiel Kraft-, Wasser- und Luftfahrzeugen. Grundsätzlich ist es möglich, zumindest das Gehäuse 82 und das Heizelement 10 einschließlich des Heizkörpers 12 kostengünstig und in großserientauglicher Weise einstückig im Mehrkomponentenspritzgießverfahren zu fertigen. Die Leiterbahnen 14, 16 werden bevorzugt in einem Zwischenschritt mittels eines geeigneten thermischen Spritzverfahrens aufgebracht und an die Anschlussstellen 18, 20 elektrisch leitend angeschlossen. Abweichend hiervon können die Leiterbahnen 14, 16 sowie die Anschlussstellen 18, 20 in einem dem Spritzgießprozess vorgeschalteten Arbeitsschritt zum Beispiel durch Löten oder Laserstrahlschweißen miteinander elektrisch leitend verbunden werden und anschließend in ein für den abschließenden Spritzgießprozess benutztes Formwerkzeug mit eingelegt werden. Die Anschlussstellen 18, 20 können zum Beispiel durch das Umspritzen von Stanzgittern mit einem Isolierkunststoff oder über mit Isolierkunststoff umspritzte Kontaktpins hergestellt werden – die dann mit einem Spritzbrenner im Zuge des Plasmasprühverfahrens, mit dem auch die metallischen Leiterbahnen 14, 16 aufgebracht werden – zur Schaffung einer leitenden Verbindung zumindest einmal überfahren werden.
  • Eine Durchkontaktierung zwischen zwei Bauteilen, wie zum Beispiel zwischen dem Lebensmittelwärmer 80 und einem Anschlusselement, wie zum Beispiel einer Muffe mit Schlauch, kann durch vorgesehene, aufeinander abgestimmte elektrische Kontakte, die im montierten Zustand den elektrischen Strom weiterleiten, realisiert werden. Zur Herstellung des Gehäuses 82 können Mehrkomponentenspritzgießverfahren eingesetzt werden, um elektrisch und thermisch isolierende Gehäuseelemente bis zum Druck von mehr als 1 bar mediendicht anzubinden. Auch Schweißverfahren sind einsetzbar. Durch Lackierverfahren oder Folienhinterspritzverfahren kann der Innenraum 84 zumindest bereichsweise mit Schutzschichten versehen werden.
  • Umfangreiche Versuchsreihen mit dem Lebensmittelwärmer 80 haben gezeigt, dass zum Beispiel Wasser leicht bis auf 50 °C aufgeheizt werden kann. Durch engere Abstände zwischen den Leiterbahnen 14, 16 sind auch höhere Temperaturen erreichbar. An Luft wurden Aufheizkurven bis auf 98 °C in etwa 3 bis 4 Minuten ermittelt. Die niedrige Speisespannung des Heizkörpers 12 von zum Beispiel 12 Volt-, 24 Volt- oder 48 Volt-Gleichspannung prädestiniert den Lebensmittelwärmer 80 dabei für energieeffiziente mobile Anwendungen, insbesondere in Kraftfahrzeugen. Der Lebensmittelwärmer 80 mit integriertem Heizelement 10 kann darüber hinaus als Babykostwärmer, Becher, Tasse, Kanne, Topf, Thermobehälter, Campingkocher, Kaffeemaschine, Tiertränke oder ähnliches ausgebildet werden.
  • Die 8 bis 10, auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird, zeigen einen mit dem erfindungsgemäßen Heizelement aufgebauten (Fluid-)Adapter als ein weiteres Anwendungsbeispiel.
  • Ein im Wesentlichen hohlzylindrischer Adapter 90 verfügt unter anderem über eine gestufte Innenauskleidung 92, die konzentrisch vom dem hier hohlzylindrisch ausgestalteten Heizkörper 12 des Heizelementes 10 umhüllt ist. Die Innenauskleidung 92 ist mit einem anderen Material als dem Leitmaterial gebildet, mit dem der Heizkörper 12 des Heizelementes 10 aufgebaut ist. Vorzugsweise ist die Innenauskleidung 92 mit einem Isoliermaterial gebildet, der eine hohe Beständigkeit gegenüber chemisch aggressiven Medien, eine hohe mechanische Festigkeit, eine gute Druckfestigkeit, eine hohe Temperaturbeständigkeit und/oder für Anwendungen im Lebensmittelbereich zulässig ist. Durch den Zweikomponentenaufbau lässt sich der Adapter 90 leicht an unterschiedliche Anforderungen von Zielapplikationen anpassen. Zumindest die Innenauskleidung 92 und der Heizkörper 12 können im Zweikomponentenextrusionsverfahren und/oder im Zweikomponentenspritzgießverfahren gefertigt werden.
  • Der elektrische Anschluss des Heizkörpers 12 erfolgt abermals mittels der Leiterbahnen 14, 16 sowie den beiden Anschlussstellen 18, 20 analog zu den bereits gemachten Ausführungen. Die Innenauskleidung 92 weist zwei Bohrungen 94, 96 auf, die durch einen umlaufenden Rezess 98 bzw. einen kleinen Absatz voneinander separiert sind. Ein Innendurchmesser 100 der ersten Bohrung 94 ist kleiner als ein Innendurchmesser 102 der zweiten Bohrung 96. Somit kann der Adapter 90 zum Beispiel als ein elektrisch beheizbares Übergangsstück zwischen zwei Rohrleitungen mit unterschiedlichen Durchmessern oder als ein beheizbarer Anschlussstutzen dienen.
  • In einem nicht bezeichneten Eingangsbereich der ersten Bohrung 94 kann eine nicht dargestellte mechanische Verriegelung vorgesehen sein, mittels der im Bedarfsfall eine lösbare Anbindung des Adapters 90 an eine nicht dargestellte Komponente bzw. eine Funktionseinheit möglich ist. Entsprechend verfügt der Adapter 90 im Bereich des Auslasses über bevorzugt zwei integral zum Heizkörper 12 des Heizelementes 10 ausgeführte Schnapphaken 104, 106, die mit einem Isolierkunststoff und nicht aus dem Leitkunststoff gebildet sind. Alternativ können die Schnapphaken 104, 106 auch mit einem metallischen Material gebildet sein. Neben den Schnapphaken 104, 106 können weitere, gegebenenfalls bewegliche Komponenten mit angespritzt werden. Die diametral angeordneten am Adapter 90 Schnapphaken 104, 106 dienen bevorzugt zur rastbaren und im Bedarfsfall lösbaren Anbindung des Adapters 90 an eine weitere, nicht dargestellte Komponente bzw. Funktionseinheit. Die Schnapphaken 104, 106 können auch bei der Montage des Adapters 90 an diesen mit angespritzt werden.
  • Die Querschnittsdarstellung in 9 zeigt einen Querschnitt durch den Adapter 90 entlang der Schnittlinie IX-IX aus der 8.
  • Der Adapter 90 umfasst die Innenauskleidung 92 mit der ersten Bohrung 94, die koaxial vom Heizkörper 12 umschlossen ist. Auf dem Heizkörper 12 befinden sich die Leiterbahnen 14, 16 mit den Anschlussstellen 18, 20. Darüber hinaus sind die hinten liegenden Schnapphaken 104, 106 sichtbar. Auf der linken Seite des Heizkörpers 12 befindet sich zur elektrischen Kontaktierung des Heizelementes 10 bzw. der Leiterbahnen 14, 16 ein metallisches Stanzgitter 108. Dieses kann beispielsweise in den Heizkörper 12 eingepresst, eingeschmolzen oder eingespritzt sein. Das Stanzgitter 108 ist beispielsweise durch Löten, Laserschweißen, Klemmen oder Verpressen mit den Anschlussstellen 18, 20 bzw. den Leiterbahnen 14, 16 elektrisch leitend verbunden, um den Heizkörper 12 durch eine steckbare und im Bedarfsfall wiederholt lösbare elektrische Verbindung mit Strom versorgen zu können.
  • Die Leiterbahnen 14, 16 werden bevorzugt mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels eines Plasmaspritzverfahrens, auf den Heizkörper 12 aufgebracht. Ergänzend können erforderlichenfalls zusätzliche Leiterbahnen zum Beispiel mit dem Heizkörper 12 verschweißt, verschmolzen, verklebt oder mit in diesen eingespritzt werden. Die Innenauskleidung 92 ist nur bei erhöhten Anforderungen an den Adapter 90, wie sie eingangs der Beschreibung der 8 erwähnt wurden, notwendig.
  • Die 10 illustriert eine Draufsicht auf den Adapter 90 gemäß 8. Das Stanzgitter 108 ist von einem bevorzugt angespritzten Steckerkasten 110 umgeben, der zur Aufnahme eines nicht dargestellten elektrischen Steckers sowie zur elektrischen Isolation dient. Der Steckerkasten 110 ist zur Sicherstellung einer ausreichenden elektrischen Isolationswirkung anstelle des Leitmaterials mit einem Isoliermaterial hergestellt. Das Heizelement kann darüber hinaus als Adapter ohne Innenauskleidung, als Anschlussstutzen, als Muffe, als Kupplung, als Ventil, Verteiler oder als Kugelhahn ausgebildet sein.
  • Die 11 zeigt eine erste Ausführungsform eines Heizelementes, das als Bügelsohle für ein Bügeleisen ausgestaltet ist.
  • Der Heizkörper 12 des Heizelementes 10 weist hier die Formgestaltung einer Bügelsohle 120 für ein in den Zeichnungen nicht dargestelltes Bügeleisen auf. Die Leiterbahnen 14, 16 sind leicht gekrümmt ausgebildet und verlaufen in geringem Abstand zu einer in etwa parabelförmigen Umfangskontur 122 der Bügelsohle 120. Die Leiterbahnen 14, 16 verlaufen auf einer nicht bezeichneten Oberseite der Bügelsohle 120, die einer gleichfalls nicht bezeichneten Unterseite der Bügelsohle 120, die zum Glätten des Stoffes dient, abgewandt ist. Alternativ können die Leiterbahnen 14, 16 auch entlang der spitz zulaufenden Längskanten der Bügelsohle 120 aufgebracht werden. Zur Berührungssicherung können die spannungsführenden Leiterbahnen 14, 16 gegebenenfalls mit einer elektrischen Isolierung, zum Beispiel mit einem Isolierkunststoff, versehen werden. Die elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen 14, 16 erfolgt wiederum mittels der Anschlussstellen 18, 20.
  • Die Bügelsohle 120 ist als Ersatz für konventionelle Bügelsohlen aus Metall geeignet und zeichnet sich unter anderem durch ein geringes Gewicht, eine gleichmäßige und energieeffiziente Wärmeentwicklung und gute native Gleiteigenschaften aus. Eine ansonsten bei metallischen Bügelsohlen notwendige zusätzliche Gleit- bzw. Antihaftbeschichtung aus PTFE ist in der Regel nicht mehr notwendig. Zur Sicherung gegenüber einer Berührung von spannungsführenden Teilen kann gegebenenfalls zumindest bereichsweise eine elektrische Isolierung der Bügelsohle 120, beispielsweise mit dem Isolierkunststoff vorgesehen sein. Das geringe Gewicht prädestiniert die Bügelsohle 120 insbesondere für den Einsatz in Reisebügeleisen und erleichtert darüber hinaus die Handhabung eines damit ausgerüsteten Bügeleisens. Die Bügelsohle 120 kann in großen Stückzahlen kostengünstig zum Beispiel im Spritzgießverfahren gefertigt werden, wobei sich insbesondere das Einbringen von Ausnehmungen und/oder Bohrungen, die beispielsweise für Dampfbügeleisen notwendig sind, fertigungstechnisch deutlich einfacher gestaltet. Der Spritzgießprozess erlaubt darüber hinaus eine hohe Designfreiheit und ermöglicht flache Ausführungen der Bügelsohle 120. Durch die räumliche Gestaltung der Bügelsohle 102, insbesondere durch deren Materialstärke, kann der spezifische elektrische Widerstand exakt eingestellt werden. Daneben hat die Ausprägung der für das Spritzgießen üblichen Scherungen der Formmasse in den Scherzonen nahe der Werkzeugwand einen großen Einfluss auf den spezifischen elektrischen Widerstand. Aufgrund des selbstregelnden Leitmaterials mit dem konstruktiv vordefinierten Widerstandsniveau, ist in der Regel keine Temperaturregelung mittels eines Thermostaten mehr notwendig. Verstärkte Abkühlungen, zum Beispiel durch einen punktuellen Kontakt mit kaltem Stoff, werden direkt kompensiert, wobei insbesondere lokalen Abkühlungen entgegengewirkt wird.
  • Wird für die Bügelsohle Leitkunststoff eingesetzt, so muss dieser über eine hinreichende mechanische Druck- und Formstabilität bei hohen Temperaturen von 200 °C und mehr verfügen, so dass als Matrixmaterial in der Regel nur Hochtemperaturthermoplaste und/oder duroplastische Kunststoffe in Betracht kommen. Die Regelung der von der Bügelsohle 120 entwickelten Temperatur kann auf einfache Weise durch die Variation der an die Anschlussstellen 18, 20 angelegten elektrischen Spannung und des damit korrespondierenden elektrischen Stroms erfolgen.
  • Die 12 zeigt eine zweite Ausführungsform eines als Bügelsohle dienenden Heizelementes mit einer größeren Anzahl von Leiterbahnen. Der als Bügelsohle 124 dienende Heizkörper 12 des Heizelementes 10 ist mit einer größeren Anzahl von Leiterbahnen 14, 16 und Anschlussstellen 18, 20 versehen. Im Ausführungsbeispiel nach 12 sind insgesamt fünf Leiterbahnen 14, 16 und hiermit korrespondierend fünf Anschlussstellen 18, 20 auf der Bügelsohle 124 vorgesehen. Die größere Anzahl der Leiterbahnen ermöglicht es, den Heizkörper 12 und damit die Bügelsohle 124 mit höheren Stromstärken zu beaufschlagen, so dass die Bügelsohle 124 höhere Temperaturen erreicht als die Ausführungsvariante nach 11. Darüber hinaus vereinfacht sich die Regelung der Temperatur, da Leiterbahnen 14, 16 mit unterschiedlicher Polarität jeweils paarweise ab- oder wieder zugeschaltet werden können, so dass keine aufwändige elektronische Stromregelung mehr notwendig ist.
  • Die 13 zeigt einen Querschnitt einer Bügelsohle mit angepasstem Höhenprofil für eine gleichmäßige Heizleistung.
  • Im Gegensatz zu den beiden ersten Ausführungsformen von Bügelsohlen nach Maßgabe der 11, 12 weist die dritte Ausführungsform eines als Bügelsohle 126 ausgebildeten Heizkörpers 12 eine näherungsweise keilförmige Querschnittsgeometrie auf. Die Bügelsohle 126 weist einen Zweikomponentenaufbau auf, wobei der Heizkörper 12 mit dem bekannten Leitmaterial und ein Isolierbereich 128 mit einem geeigneten Isoliermaterial gebildet ist. Das Heizelement 10 weist im Bereich einer Sohlenspitze 130 in Relation zu einem Sohlenende 132 eine reduzierte Materialstärke auf. Beispielsweise beträgt eine Materialstärke des Heizkörpers am Sohlenende 132 bis zu 2 cm, während die Materialstärke an der Sohlenspitze 130 nur noch bei etwa 0,5 cm liegt. Als Resultat stellt sich durch den keilförmigen Querschnittsverlauf des Heizkörpers 12 über eine nicht bezeichnete Sohlenfläche der Bügeleisensohle 126 hinweg eine annähernd gleichmäßige Wärmeabgabe ein.
  • Die Beaufschlagung des Heizkörpers 12 mit Strom erfolgt über die beiden Leiterbahnen 14, 16 sowie die hiermit elektrisch leitend verbundenen Anschlussstellen 18, 20, die hier exemplarisch als Flachsteckkontakte 134, 136 ausgestaltet sind. Über die Flachsteckkontakte 134, 136 kann die Bügelsohle 126 über eine leicht wieder lösbare Standardsteckverbindung, wie zum Beispiel Flachsteckhülsen, gegebenenfalls über eine zwischengeschalte Steuer- und/oder Regeleinrichtung an eine externe elektrische Energiequelle, beispielsweise ein Bordstromnetz eines Kraft-, Luft- oder Wasserfahrzeugs oder an das öffentliche Niederspannungsnetz (230 Volt, 50 Hz, Wechselstrom), angeschlossen werden. Die beiden Flachstecker 134, 136 sind in einem Steckerkasten 138 zur Aufnahme eines nicht dargestellten Anschlusssteckers aufgenommen.
  • Die 14 illustriert eine Querschnittsdarstellung durch einen Filter, in den ein erfindungsgemäßes Heizelement integriert ist.
  • Der Filter 140 umfasst unter anderem ein topfförmiges Filtergehäuse 142, in das innenseitig ein gleichfalls topfförmig ausgestaltetes Heizelement 10 mit topfförmigem Heizkörper 12 angeordnet ist. Abweichend von der gezeigten Ausführungsform kann die Formgebung des Heizkörpers 12 auch ringförmig sein oder einem abweichenden Design des Filtergehäuses 142 folgen.
  • Der Heizkörper 12 bildet einen zylindrischen Innenraum 142 zur Aufnahme eines nicht dargestellten, näherungsweise zylindrischen Filterelementes. Mittels des Filterelementes kann ein beliebiges Fluid von unerwünschten Begleitstoffen befreit werden. Die Beaufschlagung des Heizkörpers 12 mit elektrischer Energie erfolgt über ringförmig umlaufende Leiterbahnen 14, 16, die über die in diesem Ausführungsbeispiel als Kontaktstifte 22, 24 ausgeführten Anschlussstellen 18, 20 mit einer externen Energieversorgung verbunden werden. Die Anschlussstellen 18, 20 sind in einem Steckerkasten 144 zusammengefasst. Der Steckerkasten 144 sowie das Filtergehäuse 142 können mit einem Isolierkunststoff gebildet sein. Die Leiterbahnen 14, 16 verlaufen auf einer Oberfläche 146 des Heizkörpers 12 und umschließen diesen ringförmig. In einen nicht bezeichneten Rand des Filtergehäuses 142 ist in einer gleichfalls nicht bezeichneten Nut bzw. einer Ausnehmung ein Dichtmittel 148, zum Beispiel ein O-Ring, eingelegt. Mittels des Dichtmittels 148 und einem Deckel 150 kann der Innenraum 142 druckdicht verschlossen werden. Zur sicheren Befestigung des Deckels 150 auf dem Filtergehäuse 142 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Verschraubung 152 vorgesehen. Anstelle der Verschraubung 152 können auch mindestens zwei Schnapphaken für eine im Bedarfsfall wiederholt lösbare Rast-Schnapphakenverbindung an das Filtergehäuse 142 angeformt werden. Abweichende Dichtgeometrien, wie zum Beispiel eine konische Abdichtung, können ebenfalls integral mit angeformt werden.
  • Der Heizkörper 12 kann wiederum aus dem Leitkunststoff gefertigt werden, während das Filtergehäuse 142 bevorzugt mit einem beliebigen Isolierkunststoff hergestellt ist. Beide können in vorteilhafterweise im Mehrkomponentenspritzgießverfahren einstückig hergestellt werden. Entsprechend kann der Steckerkasten 144 integral mit an das Filtergehäuse 142 mit an gespritzt werden. Der Heizkörper 12 kann optional mit einem Lining bzw. einer Innenauskleidung zum Schutz vor chemisch aggressiven Filtermedien versehen werden. Diese Innenauskleidung kann mittels bekannter Lackierverfahren oder durch Folienhinterspritzen ausgebildet werden.
  • Die Leiterbahnen 14, 16 können wiederum mittels eines thermischen Spritzverfahrens oder mit Hilfe einer der vorstehend bereits erwähnten Herstellungstechniken geschaffen werden. Dasselbe gilt für die elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen 14, 16 und den Anschlussstellen 18, 20 bzw. den Kontaktstiften 22, 24 und deren mechanische Befestigung innerhalb des Filtergehäuses 142. Die mechanische Anbindung der Kontaktstifte 22, 24 kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass diese im Filtergehäuse 142 fest verankert sind. Zu diesem Zweck können die Kontaktstifte 22, 24 mehrfache Biegungen aufweisen, wodurch ein fester Sitz in dem umgebenden Isolierkunststoff erreichbar ist. Der erfindungsgemäß beheizte Filter 140 ist vor allem für den energieeffizienten Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet. Denn die in diesem Bereich vorherrschende Standardgleichspannung von 12 Volt, 24 Volt oder 48 Volt gewährleistet unter allen Betriebsbedingungen eines Kraftfahrzeugs eine ausreichende Wärmeentwicklung.
  • Im weiteren Fortgang der Beschreibung soll das Verfahren zu Herstellung eines Heizelements 10 mit einem Heizkörper 12 nach Maßgabe des Verfahrensanspruchs 8 näher erläutert werden.
  • Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Heizelementes 10 wird in einem Verfahrensschritt a) zunächst ein Heizkörper 12 bevorzugt in einem Spritzgieß- und/oder Extrusionsverfahren mit einem Leitmaterial gefertigt. Im Verfahrensschritt b) erfolgt dann das Aufbringen von mindestens zwei Leiterbahnen 14, 16 auf den Heizkörper 12 durch ein thermisches Spritzverfahren, insbesondere durch Plasmaspritzen gemäß DIN EN 657. Weitere Leiterbahnen können gegebenenfalls durch andere Verfahren, wie zum Beispiel Aufkleben, Aufschweißen, Aufpressen, Aufnieten oder Aufschrauben auf den Heizkörper 12 sowie durch Einspritzen oder Umspritzen mit dem Leitmaterial, geschaffen werden. Im Verfahrensschritt c) erfolgt das Herstellen von mindestens zwei elektrischen Anschlussstellen 18, 20 zur elektrischen Kontaktierung der mindestens zwei Leiterbahnen 14, 16. Dies kann alternativ auch im Verfahrensschritt a) im Zuge des Spritzgießvorgangs des Heizkörpers 12, zum Beispiel durch das Einlegen von Kontaktstiften in das Formwerkzeug, erfolgen. Die Ausbildung der bevorzugt metallischen Anschlussstellen 18, 20 kann gleichfalls durch Aufkleben, Aufschweißen, Aufpressen, Aufnieten oder Aufschrauben auf den Heizkörper 12 sowie durch Einspritzen oder Umspritzen mit dem Leitmaterial und/oder mit dem Isoliermaterial erfolgen.
  • Der Darstellung gemäß der 15, 16, 17 und 18 ist eine Basisvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizkörpers zum Einsatz als Heizpatrone zu entnehmen.
  • 15 zeigt einen Schnitt durch das Heizelement 10. Im Gehäuse 44 befindet sich der Heizkörper 12 ausgebildet als thermisch regelndes und elektrisch leitendes Material, der über die Leiterbahnen 14, 16 kontaktiert wird. Die Leiterbahnen 14, 16 wiederum stehen mit den Kontaktstiften 22, 24 elektrisch leitend in Verbindung, die innerhalb des Gehäuses 44 in eine Steckerbuchse 154 münden. Das Gehäuse 44 ist als eine Umspritzung der Leiterbahnen 14, 16, des Heizkörpers 12 sowie der Kontaktstifte 22, 24 aus einem elektrisch insolierenden Material ausgebildet. Die elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen 14, 16 beziehungsweise der Kontaktstifte 22, 24 erfolgt innerhalb der Steckerbuchse 154, die an einer Stirnseite des Gehäuses 44 ausgeführt ist.
  • 16 zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite des Gehäuses 44 des Heizelementes 10. Innerhalb der Steckerbuchse 154 stehen die beiden Kontaktstifte 22, 24 erhaben hervor und werden durch einen entsprechend komplementär konfigurierten elektrischen Steckanschluss elektrisch kontaktiert. Die Darstellung gemäß 17 repräsentiert einen Schnittverlauf gemäß des Schnittes XVII-XVII in 15. Aus 17 geht hervor, dass die Leiterbahnen 14, 16 über die innenliegenden Kontaktstifte 22, 24 elektrisch kontaktiert sind, wobei die Kontaktstifte 22, 24 teilweise in dem elektrisch leitenden Material, welches der Heizkörper 12 darstellt, eingebettet sind. 18 stellt einen Schnitt gemäß des Schnittverlaufes XVIII-XVIII in 15 dar. 18 zeigt, dass die elektrischen Leiterbahnen 14 beziehungsweise 16 den Heizkörper gebildet durch das elektrisch leitende Material 12 einander gegenüberliegend kontaktieren.
  • Die 19 und 20 zeigen eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Heizelementes eingesetzt als Lenkradheizung.
  • 19 zeigt ein Lenkrad 156, welches von einer Lenkradrückseite 158 gesehen dargestellt ist. In das Lenkrad 156 ist eine Lenkradheizung 157 integriert, die durch das erfindungsgemäße vorgeschlagene Heizelement dargestellt wird. Wie die Lenkradrückseite 158 zeigt, verläuft am Kranz des Lenkrades eine elektrische Leiterbahn 14, die über die Kontaktstifte beziehungsweise Kontaktleisten 22, 24 kontaktiert wird, die sich von einem integrierten Stecker 162 aus erstrecken. Eleganterweise erstrecken sich die Kontaktstifte 22, 24 vom integrierten Stecker 162 aus durch eine der Speichen 160 des Lenkrades 156. Durch die Kontaktstifte 22, 24 wird die hier an der Lenkradrückseite 158 verlaufende elektrische Leiterbahn 14 elektrisch kontaktiert. Die Leiterbahn 14 wiederum ist vom Heizkörper 12 umgeben, bei dem sich beispielsweise um einen elektrisch leitfähigen Thermoplasten handelt. Dieser wiederum ist von einer elektrische Isolationseigenschaften aufweisenden und haptisch ansprechend gestalteten Schutzschicht 166 umhüllt.
  • Die Darstellung gemäß 20 stellt einen Schnitt gemäß des Schnittverlaufes XX-XX in 19 dar. Bei dem Heizkörper 12 handelt es sich um das elektrisch leitfähige Material, welches das Heizelement 10 darstellt. Dieses Heizelement 10 kann entweder einen Hohlraum 164 umschließen. Anstelle des Hohlraumes wäre auch denkbar, ein elektrisch isolierendes Vollmaterial einzusetzen oder ein umspritztes Kernmaterial auszuwählen. Wie die Schnittdarstellung gemäß 20 zeigt, befinden sich die beiden elektrischen Leiterbahnen 14, 16 jeweils einander gegenüberliegend, die Lenkradheizung 157 darstellend, an der Mantelfläche des hier rohrförmig ausgestalteten Heizelementes 12. Die beiden elektrischen Leiterbahnen 14, 16 sind gemäß der Darstellung in 20 von der elektrische Isolationseigenschaften aufweisenden haptisch ansprechend gestalteten 166 Schutzschicht umgeben.
  • Die 21 und 22 zeigen eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäße vorgeschlagenen Heizelementes, eingesetzt als Griffheizung.
  • Wie 21 zeigt, ist an einem Griff 170 eine Griffheizung 168 ausgebildet. 21 ist zu entnehmen, dass ein hier ebenfalls analog zur zuvor beschriebenen Lenkradheizung 157 rohrförmig gestalteter Heizkörper 12, der beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Thermoplast gestaltet ist, über zwei elektrische Leiterbahnen 14, 16 kontaktiert ist. Die Leiterbahnen 14, 16 werden über die Kontaktstifte 22, 24 elektrisch kontaktiert, die sich an der Stirnseite des Griffes 170 in eine Steckerbuchse 154 erstrecken, wo sie durch einen entsprechend komplementär konfigurierten Gegenstecker elektrisch kontaktiert werden. Die Leiterbahnen 14 beziehungsweise 16 sind im Griff 170 durch eine elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisende, haptisch ansprechend gestalteten Schutzschicht 166 umschlossen.
  • Die Darstellung gemäß 22 entspricht der 20.
  • In den 23, 24 und 25 ist eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Heizelementes zu entnehmen, welches als Kontaktflächenheizung 172 beschaffen ist. Die Kontaktflächenheizung 172 ist zwischen einem ersten Bauteil 174 und einem zweiten Bauteil 176 aufgenommen. Über das Heizelement 10 können mithin beide Bauteile 174, 176 beheizt werden. Wie 23 zeigt, umfasst die Kontaktflächenheizung 172 die elektrischen Leiterbahnen 14 und 16 sowie einen in dieser Ausführungsvariante eben plattenförmig dargestellten Heizkörper 12, der beispielsweise als spritzgegossener elektrisch leitfähiger Thermoplast ausgestaltet ist. Die beiden elektrischen Leiterbahnen 14, 16 werden analog wie bei den vorstehenden Ausführungsvarianten über die Kontaktstifte 22, 24 elektrisch kontaktiert. Es besteht die Möglichkeit, gemäß 24 eine Seite des plattenförmig ausgebildeten Heizkörpers 12 mit einer elektrische Isolationseigenschaften aufweisenden, haptisch ansprechend gestalteten Schutzschicht 166 zu überdecken oder auch, wie in 25 dargestellt, diese Schutzschicht 166 einfach weg zu lassen und die den Leiterbahnen 14, 16 gegenüber liegende Seite des Heizkörpers 12 wie in 20 gezeigt, frei zu lassen.
  • 26 ist die Abwicklung einer Mantelfläche eines zylindrisch ausgebildeten Heizelementes zu entnehmen.
  • Das Heizelement 10 gemäß 26 umfasst einen thermisch regelnden und elektrisch leitenden Thermoplasten 178, der hier repräsentativ als eine abgewickelte Mantelfläche eines zylindrischen Heizelementes 10 dargestellt ist. Der thermisch regelnde und elektrisch leitende Thermoplast 178 ist mit elektrischen Leiterbahnen 14, 16 versehen. In der in 26 dargestellten Ausführungsvariante sind die elektrischen Leiterbahnen 14, 16 als erste Kammstruktur 180 und eine zweite Kammstruktur 182 ausgebildet. Die beiden Kammstrukturen 180 bzw. 182 sind in einem Versatz 184 auf der Mantelfläche angeordnet, wobei die „Zinken“ der Kammstrukturen 180, 182 im Wesentlichen – abgesehen von den Anfangsbereichen – in einer identischen Länge ausgebildet sein können. Die Zinken der Kammstrukturen 180, 182, die im Versatz 184 in Bezug auf die Mantelfläche voneinander beabstandet sind, können unterschiedliche Länge oder auch eine identische Länge aufweisen, der Versatz 184 wird applikationsabhängig gewählt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 4429028 A1 [0011]
    • DE 29722304 U1 [0014]
    • DE 202010009208 U1 [0015]
    • DE 3614141 D2 [0016]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • DIN 657 [0009]
    • DIN 657 [0017]
    • DIN 657 [0036]
    • DIN EN 657 [0067]
    • DIN EN 657 [0106]

Claims (12)

  1. Heizelement (10) mit mindestens einem thermoelektrischen Heizkörper (12), wobei der Heizkörper (12) zumindest teilweise mit einem Leitmaterial gebildet ist und der Heizkörper (12) über mindestens zwei Leiterbahnen (14, 16) mit elektrischer Energie versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (14, 16) mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere durch Plasmaspritzen gemäß DIN 657, ausgebildet sind.
  2. Heizelement (10) nach Anspruch 1, wobei das Leitmaterial thermisch selbstregelnd ist.
  3. Heizelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leiterbahnen (14, 16) jeweils mit mindestens einer elektrischen Anschlussstelle (18, 20), insbesondere mit mindestens einem Kontaktstift (22, 24), elektrisch leitend verbunden sind.
  4. Heizelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Heizkörper (12) eine im Wesentlichen plattenförmige, eine hohlzylindrische oder eine topfförmige Formgebung aufweist.
  5. Heizelement (10) nach Anspruch 4, wobei der Heizkörper (12) zumindest bereichsweise mit einem zusammengefügten Schüttgut (72), insbesondere mit gesinterten Kugeln und/oder mit gesintertem Granulat, aus dem Leitmaterial gebildet ist.
  6. Heizelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens eine weiterer elektrischer Leiter, insbesondere mindestens eine Leiterbahn, auf dem und/oder im Heizkörper (12) befestigt, insbesondere auf diesen aufgeklebt, aufgeschweißt, aufgelötet oder aufgepresst und/oder in diesen eingespritzt ist oder die Leiterbahn bei der Formgebung mit dem Leitmaterial mit umspritzt ist.
  7. Heizelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Heizkörper (12) mindestens einen elektrischen Isolierbereich (66, 128) und/oder mindestens eine weitere Komponente aufweist, wobei der Isolierbereich (66, 128) mit einem elektrischen Isolator, insbesondere mit einem Isolierkunststoff, gebildet ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Heizelementes, insbesondere eines Heizelementes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einem thermoelektrischen Heizkörper (12), wobei der Heizkörper (12) zumindest teilweise mit einem Leitmaterial gebildet ist und der Heizkörper (12) über mindestens zwei Leiterbahnen (14, 16) mit elektrischer Energie versorgbar ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Herstellen eines thermoelektrischen Heizkörpers (12) mit einem Leitmaterial, b) Aufbringen der Leiterbahnen (14, 16) auf den Heizkörper (12) mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere durch Plasmaspritzen gemäß DIN 657, und c) Herstellen von mindestens zwei elektrischen Anschlussstellen (18, 20) zur elektrischen Kontaktierung der Leiterbahnen (14, 16).
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die mindestens zwei elektrischen Anschlussstellen (18, 20) im Verfahrensschritt a) ausgebildet werden.
  10. Verwendung mindestens eines Heizelementes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Fluidleitung (50, 56, 70).
  11. Verwendung mindestens eines Heizelementes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einer Fluidfunktionseinheit, insbesondere in einem Fluidwärmer (30), in einem Adapter (90), in einer Düse, in einer Drossel, in einem Ventil, in einem Verteiler oder in einem Filtergehäuse (142) eines Filters (140).
  12. Verwendung mindestens eines Heizelementes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Gebrauchsgegenstand, insbesondere in einem Lenkrad (156), einem Griff (170), als Kontaktflächenheizung (172), Flächen eines Gehäuses (44), einer Heizpatrone (153), Lebensmittelwärmer (80), in einem Bügeleisen, insbesondere als Bügelsohle (120, 124, 126), oder in einem Akkumulator, insbesondere in einem Gehäuse (44) eines Bleiakkumulators (42).
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