DE102013010858B4

DE102013010858B4 - Elektrisches Heizgerät, Fahrzeug mit einem elektrischen Heizgerät und Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizgerätes

Info

Publication number: DE102013010858B4
Application number: DE102013010858.6A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Bytzek
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2019-07-18
Anticipated expiration: 2033-06-29
Also published as: DE102013010858A1

Abstract

Elektrisches Heizgerät (10) zum Erwärmen eines das elektrische Heizgerät (10) durchströmenden Mediums (12), insbesondere Luft, umfassend
- mindestens ein elektrisches Heizelement (14) mit einem plattenförmigen Wärmeübertrager (16), der eine Plattenfläche (18) in einer Plattenebene (20) und eine Plattendicke (22) in Richtung einer Flächennormalen (24) der Plattenebene (20) hat, und
- mindestens ein Schichtheizelement (26), das parallel zu der Plattenebene (20) auf der Plattenfläche (18) an dem plattenförmigen Wärmeübertrager (16) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Schichtheizelement (26) auf den plattenförmigen Wärmeübertrager (16) aufgebracht ist,
- wobei der plattenförmige Wärmeübertrager (16) Durchlässe (28, 28') aufweist, die ein Hindurchtreten von Medium (12) durch die Plattenebene (20) ermöglichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Heizgerät zum Erwärmen eines das elektrische Heizgerät durchströmenden Mediums.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Heizgerätes und ein Fahrzeug mit einem solchen elektrischen Heizgerät.
Die DE 10 2008 030 212 A1 beschreibt eine Heizvorrichtung mit mehreren plattenförmigen Wärmetauschern, wobei Öffnungen in den plattenförmigen Wärmetauscher vorgesehen sind, durch die zu erwärmendes Medium senkrecht zur Plattenoberfläche durch die Wärmetauscher hindurchtreten kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein elektrisches Heizgerät und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen elektrischen Heizgerätes bereitzustellen, das eine Bauraumtiefe in einer Strömungsrichtung eines zu erwärmenden Mediums optimal ausnutzt.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Beschrieben ist ein elektrisches Heizgerät zum Erwärmen eines das elektrische Heizgerät durchströmenden Mediums, insbesondere Luft, umfassend mindestens ein elektrisches Heizelement mit einem plattenförmigen Wärmeübertrager, der eine Plattenfläche in einer Plattenebene und eine Plattendicke in Richtung einer Flächennormalen der Plattenebene hat, und mindestens einem Schichtheizelement, das parallel zu der Plattenebene auf der Plattenfläche an dem plattenförmigen Wärmeübertrager angeordnet ist, wobei das mindestens eine Schichtheizelement auf den plattenförmigen Wärmeübertrager aufgebracht ist, wobei der plattenförmige Wärmeübertrager Durchlässe aufweist, die ein Hindurchtreten von Medium durch die Plattenebene ermöglichen. Auf diese Weise kann in Strömungsrichtung eines zu erwärmenden Mediums eine effiziente und kompakte Bauform des elektrischen Heizgerätes realisiert werden, wobei eine Wärmeübertragung von dem plattenförmigen Wärmeübertrager auf das zu erwärmende Medium gleichmäßig über die gesamte Anströmfläche des plattenförmigen Wärmeübertragers, das heißt die gesamte Plattenfläche in der Plattenebene, realisiert werden kann. Insbesondere kann ein verbleibender Temperaturgradient in dem Wärmeübertrager im Wesentlichen parallel zu der Richtung der Flächennormalen der Plattenebene verlaufen, in der das Medium das elektrische Heizgerät durchströmt. Dies kann die Effizienz des elektrischen Heizgerätes steigern und führt zu einer Verbesserung der Ausnutzung der vorhandenen Bauraumtiefe in der Strömungsrichtung des zu erwärmenden Mediums. Die Plattenfläche des plattenförmigen Wärmeübertragers kann insbesondere eine Plattenebene definieren, der in üblicher Weise eine beziehungsweise zwei Flächennormale zugeordnet werden können. Diese Flächennormale können insbesondere parallel beziehungsweise in der Durchströmrichtung des zu erwärmenden Mediums liegen. Das zu erwärmende Medium kann insbesondere Luft sein. Alternativ ist jedoch auch die Erwärmung eines anderen flüssigen oder gasförmigen Mediums möglich. Das Schichtheizelement kann insbesondere ein vollflächig auf dem plattenförmigen Wärmeübertrager aufgebrachter ohmscher Heizwiderstand sein. Das Schichtheizelement kann weiterhin auch auf nur einer Seite des plattenförmigen Wärmeübertragers aufgebracht sein. Das Schichtheizelement kann eine Isolationsschicht und eine Heizschicht umfassen, wobei die Isolationsschicht die Heizschicht von dem plattenförmigen Wärmeübertrager trennen kann. Die Heizschicht kann zumindest teilweise in das Innere der Isolationsschicht eingebettet sein. Wenn der plattenförmige Wärmeübertrager elektrisch nicht leitend ist, kann die Isolationsschicht optional entfallen. Das Schichtheizelement kann beispielsweise durch ein thermisches Spritz- beziehungsweise Aufspritzverfahren flächig auf einer Seite des plattenförmigen Wärmeübertragers aufgebracht sein. Das thermische Spritz- beziehungsweise Aufspritzverfahren kann beispielsweise ein Plasmaspritzverfahren, ein Kaltgasspritzverfahren oder ein Flammspritzverfahren sein. Das thermische Spritz- beziehungsweise Aufspritzverfahren kann insbesondere ein Kaltgasplasmaspritzverfahren oder ein Suspensionsflammspritzverfahren sein. Beim Kaltgasspritzen wird ein Gas, beispielsweise Stickstoff, auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt, wobei mit dem Gas beförderte Partikel mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise mehrfacher Schallgeschwindigkeit, auf den plattenförmigen Wärmeübertrager oder ein bereits auf dem plattenförmigen Wärmeübertrager aufgebrachtes Substrat auftreffen und durch die hohe kinetische Energie eine dichte, fest haftende Schicht bilden. Beim Suspensionsflammspritzen wird zunächst eine Suspension mit den aufzubringenden/aufzuspritzenden Partikeln hergestellt, um diese Suspension dann mit einer Flamme einzudüsen. Dabei verdampft die Flüssigkeit zumindest teilweise, vorzugsweise ganz, und es treffen im Idealfall nur die jeweiligen Partikel auf die Zieloberfläche des plattenförmigen Wärmeübertragers auf, wodurch sich ebenfalls dichte Schichten herstellen lassen. Das Schichtheizelement kann vollflächig und/oder stoffschlüssig auf den plattenförmigen Wärmeübertrager aufgebracht sein. Eine den ohmschen Widerstand des Schichtheizelementes im Wesentlichen bereitstellende Heizschicht und oder eine eventuell vorhandene Isolationsschicht können bereits strukturiert, das heißt einzelne unabhängige Leiterbahnen definierend, aufgebracht werden, und/oder nach der Auftragung strukturiert werden. Zur Strukturierung können je nach Bedarf, beispielsweise in Abhängigkeit des zu erreichenden Leiterbahnabstandes, unterschiedliche, an sich bekannte Verfahren angewendet werden. Der plattenförmige Wärmeübertrager kann insbesondere sehr dünn ausgeführt sein, das heißt insbesondere mit einer im Vergleich zu einer Plattendicke des plattenförmigen Wärmeübertragers großen Plattenfläche. Ein dimensionsloses Verhältnis zwischen Plattenfläche und Plattendicke kann beispielsweise größer als 20:1, insbesondere größer als 40:1 sein. Da der Wärmeübertrager plattenförmig ausgeführt ist, kann eine Wärmeleitfähigkeit λ des plattenförmigen Wärmeübertragers verhältnismäßig gering gewählt werden, ohne dass hierdurch für die Effizienz des elektrischen Heizgerätes Nachteile entstehen. Der plattenförmige Wärmeübertrager kann insbesondere aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Aluminium hergestellt sein. Allgemein ist jedoch eine Herstellung des plattenförmigen Wärmeübertragers aus einem Metall, einer Metalllegierung, einem keramischen Werkstoff und/oder einem Metall-Matrix-Komposite (MMC) möglich. Ist der Wärmeübertrager aus einer isolierenden Keramik aufgebaut, so kann eventuell auf eine zusätzliche elektrische Isolierung des elektrischen Heizgerätes auch im Hochvoltbereich verzichtet werden. Damit das zu erwärmende Medium den plattenförmigen Wärmeübertrager durchströmen kann, das heißt insbesondere durch die Plattenebene des plattenförmigen Wärmeübertragers hindurchtreten kann, sind Durchlässe in dem plattenförmigen Wärmeübertrager vorgesehen, die beispielsweise als Perforationen ausgeführt sein können. Perforationen beziehungsweise Durchlässe können beispielsweise ausgestanzt, ausgeschnitten oder in einem sonstigen geeigneten Verfahren aus der Plattenebene des plattenförmigen Wärmeübertragers herausgetrennt sein. Möglich ist auch die Perforationen beziehungsweise Durchlässe zumindest teilweise bereits bei der Herstellung eines Grundkörpers des Wärmeübertragers vorzusehen. Beispielsweise kann ein Grünling bereits einen Teil der Perforationen beziehungsweise Durchlässe umfassen, wenn der Wärmeübertrager mit einem Sinterverfahren hergestellt wird. Die Perforationen, das heißt die Durchlässe in der Plattenebene des plattenförmigen Wärmeübertragers, können wahlweise vor oder nach dem Aufbringen des Schichtheizelementes in dem Wärmeübertrager hergestellt werden. Die Perforationen beziehungsweise Durchlässe können quadratisch, rechteckig, dreieckig, rund oder oval sein oder irgendeine andere regelmäßige oder unregelmäßige Form aufweisen. Die Perforationen beziehungsweise Durchlässe können ein regelmäßiges oder ein unregelmäßiges Muster in der Plattenfläche bilden. Durch die im Verhältnis zur Plattenfläche dünne Ausdehnung des elektrischen Heizelementes in der Richtung senkrecht zur Plattenebene, das heißt in Richtung der Flächennormalen, kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung mit nur geringen Temperaturgradienten innerhalb des elektrischen Heizelementes, insbesondere zwischen dem Schichtheizelement und dem plattenförmigen Wärmeübertrager und innerhalb verschiedener Bereiche des plattenförmigen Wärmeübertragers erreicht werden. Durch die im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung können mechanische Spannungen in dem elektrischen Heizelement, insbesondere zwischen dem plattenförmigen Wärmeübertrager und dem Schichtheizelement reduziert werden, was sich positiv auf die Lebensdauer des Schichtheizelementes auswirken kann. Gleichzeitig ist ein „einseitiges“ Erwärmen des plattenförmigen Wärmeübertragers durch das Schichtheizelement aufgrund der nur geringen Temperaturgradienten unkritisch. Wenn die Perforation des plattenförmigen Wärmeübertragers nach dem Aufbringen des Schichtheizelementes auf den plattenförmigen Wärmeübertrager erfolgt, kann zusammen mit dem Herstellen der Durchlässe in dem plattenförmigen Wärmeübertrager auch die Herstellung von mit den Durchlässen korrespondierenden Aussparungen in dem Schichtheizelement einhergehen. Durch die Herstellung der Durchlässe und Aussparungen kann in einem einzigen Fertigungsschritt die Heizleistung des Schichtheizelementes eingestellt werden. Denkbar ist allerdings auch, dass das Schichtheizelement von vornherein nur in solchen Bereichen des plattenförmigen Wärmeübertragers aufgebracht wird, in welchen keine Durchlässe angeordnet sind beziehungsweise werden. Das zumindest eine Heizelement kann in einem Gehäuse für das elektrische Heizgerät angeordnet sein, das zur Führung des Mediums eingerichtet sein kann. Das Heizelement kann mit einer Gleichspannung oder einer Wechselspannung im Niedervolt- oder im Hochvoltbereich betrieben werden. Das zumindest eine Heizelement kann in einfacher Weise automatisiert hergestellt werden, wodurch die Herstellungskosten für das elektrische Heizgerät insgesamt sehr gering ausfallen.
Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass mehrere elektrische Heizelemente parallel zueinander und/oder in Richtung der Flächennormalen hintereinander angeordnet sind. Auf diese Weise kann die Anströmfläche des elektrischen Heizgerätes beliebig variiert werden, wenn elektrische Heizelemente mit plattenförmigen Wärmeübertragern parallel zueinander in einer einzigen Plattenebene angeordnet werden. Durch das Versetzen mehrerer elektrischer Heizelemente in Richtung der Flächennormalen, so dass die mehreren elektrischen Heizelemente im Wesentlichen nacheinander von dem zu erwärmenden Medium durchströmt werden, da die elektrischen Heizelemente in Richtung der Flächennormalen hintereinander angeordnet sind, kann ein elektrisches Heizgerät aufgebaut werden, das den in der Strömungsrichtung des zu erwärmenden Mediums vorhandenen Bauraum nochmal besser ausnutzt. Da die Wärme eines Heizelementes nur in sehr geringem Maße an ein benachbartes Heizelement übertragen wird, kann der räumliche Abstand der Heizelemente gering gewählt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass verschiedene Heizelemente verschiedene Heizleistungen bereitstellen. Auf diese Weise kann die Effizienz des elektrischen Heizgerätes weiter gesteigert werden.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die mehreren elektrischen Heizelemente zumindest teilweise voneinander beabstandet angeordnet sind. Durch das Vorsehen eines Abstands zwischen zumindest einigen der elektrischen Heizelemente können turbulente Strömungen des durch die elektrischen Heizelemente hindurchströmenden Mediums erreicht werden, wodurch die Wärmeauskopplung, das heißt die Wärmeübertragung von dem plattenförmigen Wärmeübertrager zu dem Medium, verbessert wird. An den Rändern der Durchlässe und/oder der plattenförmigen Wärmeübertrager können Verwirbelungen des Mediums entstehen, die auch eine bessere Durchmischung des zu erwärmenden Mediums bewirken.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Durchlässe der mehreren elektrischen Heizelemente, die in verschiedenen elektrischen Heizelementen angeordnet sind, in Richtung der Flächennormalen zueinander versetzt angeordnet sind. Die zueinander versetzte Anordnung der Durchlässe in verschiedenen Heizelementen kann bewirken, dass das Medium beim Durchströmen des elektrischen Heizgerätes zumindest teilweise parallel zu der Plattenebene geführt wird. Auch auf diese Weise kann die Wärmeauskopplung verbessert werden. Das durch die elektrischen Heizelemente hindurchströmende Medium kann beim Durchströmen des elektrischen Heizgerätes, das heißt der mehreren elektrischen Heizelemente, zumindest teilweise umgelenkt werden, so dass ein mittlerer Weg anwächst, den das zu erwärmende Medium innerhalb des elektrischen Heizgerätes zurücklegt, wobei das Medium insbesondere im wärmetauschenden Kontakt mit den Heizelementen steht.
Es kann auch vorgesehen sein, dass das mindestens eine Schichtheizelement zu den Durchlässen korrespondierende Aussparungen umfasst. Insbesondere wenn das Schichtheizelement vollflächig auf eine Oberfläche des plattenförmigen Wärmeübertragers aufgebracht wird, in der später noch Durchlässe angeordnet werden, können zu den Durchlässen korrespondierende Aussparungen beispielsweise gemeinsam mit den Durchlässen erzeugt werden, beispielsweise durch Ausstanzen und/oder Ausschneiden. Weiterhin ist auch möglich, dass die zu den Durchlässen korrespondierenden Aussparungen durch das Aussparen von Bereichen des plattenförmigen Wärmeübertragers erzeugt werden, auf denen das Schichtheizelement von vornherein nicht aufgebracht wird.
Nützlicherweise kann auch vorgesehen sein, dass das Schichtheizelement in der Plattenebene über den plattenförmigen Wärmeübertrager hinausragt und einen die Plattenfläche begrenzenden Rand des plattenförmigen Wärmeübertragers zumindest teilweise bedeckt, wobei Randflächennormale von der Flächennormalen der Plattenebene abweichen. Durch das Hinausragen des Schichtheizelementes über die Plattenebene des plattenförmigen Wärmeübertragers hinaus, wobei insbesondere das Bedecken eines Randes des plattenförmigen Wärmeübertragers erfolgen kann, kann auch der Rand des Wärmeübertragers gleichmäßig durch das elektrische Heizelement erwärmt werden, so dass Temperaturgradienten in der Plattenfläche gering gehalten werden. Über den Rand hinausragende Schichtheizelemente sind mit einem thermischen Aufspritz- beziehungsweise Spritzverfahren leicht herstellbar.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass elektrische Anschlusskontakte des Schichtheizelementes an dem von dem Schichtheizelement bedeckten Rand des plattenförmigen Wärmeübertragers angeordnet sind. Das Schichtheizelement muss elektrisch mit einer Spannungsquelle verbunden werden, um eine Erwärmung des elektrischen Heizelementes zu bewirken. Wenn die notwendigen elektrischen Anschlusskontakte des Schichtheizelementes an dem Rand in die Plattenebene des Wärmeübertragers gelegt werden, ist die Bauhöhe des elektrischen Heizelementes in Richtung der Flächennormalen im Wesentlichen durch die Plattendicke des plattenförmigen Wärmeübertragers und der Dicke des Schichtheizelementes vorgegeben, ohne dass eine zusätzliche Bauhöhe in Richtung der Flächennormalen zur Unterbringung der notwendigen elektrischen Anschlusskontakte vorzusehen ist. Sind mehrere Heizelemente vorhanden kann die elektrische Kontaktierung sogar an den dicht beieinander liegenden Rändern zusammengefasst werden, wodurch die Kosten bei der Herstellung der elektrischen Anschlüsse reduziert werden können.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein Übergang von der Flächennormalen der Plattenebene zu den Randflächennormalen kontinuierlich erfolgt. Unter einem kontinuierlichen Übergang kann insbesondere eine nicht sprunghafte Änderung eines Normalenvektors als ortsabhängige Funktion beim Durchlaufen der Verbindungslinie zwischen einem Ort auf der Plattenfläche und einem Ort auf dem Rand angesehen werden. Der kontinuierliche Übergang von der Flächennormalen der Plattenebene zu den Randflächennormalen kann insbesondere eine gleichmäßige Schichtdicke des Schichtheizelementes beim Übergang von der Plattenfläche zum Rand des plattenförmigen Wärmeübertragers sicherstellen. Ein kontinuierlicher Übergang zwischen den verschiedenen Flächennormalen kann beispielsweise durch „abgerundete“ Ecken erreicht werden. Scharfe Kanten am Übergang von der Plattenfläche des plattenförmigen Wärmeübertragers zu dem Rand des plattenförmigen Wärmeübertragers können zu Dickeschwankungen beim Aufbringen des Schichtheizelementes führen, insbesondere der Heizschicht, wodurch letztlich beim Betrieb des elektrischen Heizgerätes unerwünschte Temperaturhotspots erzeugt werden können.
Ein elektrisches Heizgerät mit den vorstehend beschriebenen Eigenschaften kann vorteilhafterweise in einem Fahrzeug vorgesehen sein.
Beschrieben wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen elektrischen Heizgerätes, umfassend die folgenden Schritte:

- Aufbringen des Schichtheizelementes auf den plattenförmigen Wärmeübertrager;
- Erzeugen der Durchlässe in dem plattenförmigen Wärmeübertrager.

Die Reihenfolge der vorstehend genannten Verfahrensschritte kann optional geändert werden. Das Erzeugen der Durchlässe kann mit der Herstellung des Wärmeübertragers gemeinsam erfolgen. Das Aufbringen des Schichtheizelementes kann mit einem der vorstehend bereits genannten thermischen Aufspritz- beziehungsweise Spritzverfahren erfolgen. Wenn das elektrische Heizgerät mehrere Heizelemente umfasst, können sie beispielsweise in der vorgesehenen Weise gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet werden.
Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung jedes der vorstehend beschriebenen elektrischen Heizgeräte verwendet werden.
Auf diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des beschriebenen elektrischen Heizgerätes auch im Rahmen des beschriebenen Verfahrens umgesetzt.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand einer Ausführungsform beispielhaft erläutert.
Es zeigen:

1 ein Fahrzeug mit einem elektrischen Heizgerät;
2 eine Draufsicht auf ein elektrisches Heizelement;
3 ein Detail eines plattenförmigen Wärmeübertragers;
4 eine isometrische Ansicht eines elektrischen Heizelementes;
5 eine seitliche Schnittansicht durch mehrere elektrische Heizelemente; und
6 eine weitere seitliche Schnittansicht durch mehrere elektrische Heizelemente.

In den folgenden Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichartige Teile.
1 zeigt ein Fahrzeug 40 mit einem elektrischen Heizgerät 10. Das Fahrzeug 40 umfasst weiterhin ein Steuergerät 42, eine Spannungsquelle 44, einen Raum 46 und ein Gebläse 48. Die Spannungsquelle 44 ist über eine Spannungsversorgung 54 mit dem Steuergerät 42 verbunden, welches wiederum über eine elektrische Steuerleitung 50 beziehungsweise eine weitere elektrische Steuerleitung 52 das Gebläse 48 und das elektrische Heizgerät 10 ansteuert und insbesondere mit elektrischer Energie versorgt. Das elektrische Heizgerät 10 wird bei dem dargestellten Fahrzeug 40 zur Erwärmung des Raums 46, der beispielsweise ein Fahrgastraum des Fahrzeugs 40 sein kann, verwendet. Das elektrische Heizgerät 10 kann insbesondere zur direkten oder indirekten Erwärmung von Luft eingerichtet sein, die dem Raum 46 zugeführt wird. Wenn die Luft direkt erwärmt wird, ist das Medium Luft. Das Gebläse 48 kann über eine Außenraumluftzuführung 56 und eine Innenraumluftzuführung 58 Luft über eine Luftführung 60 dem elektrischen Heizgerät 10 zuführen. Das elektrische Heizgerät 10 kann die zugeführte Luft erwärmen und über eine weitere Luftführung 62 an den Raum 46 abgeben. Über die Innenraumluftzuführung 58 kann Luft aus dem Raum 46 von dem Gebläse 48 angesaugt werden, so dass eine Umluftbelüftung des Raums 46 realisierbar ist. Über die Außenraumluftzuführung 56 kann Frischluft von außerhalb des Fahrzeugs 40 angesaugt werden, so dass dem Raum 46 auch erwärmte Frischluft zuführbar ist. Über nicht dargestellte Ventileinrichtungen können die Volumenanteile der über das Gebläse 48 angesaugten Frischluft und der aus dem Raum 46 angesaugten Raumluft variabel eingestellt werden. Die Spannungsquelle 44 kann eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung im Niedervolt- oder im Hochvoltbereich bereitstellen. Das Steuergerät kann je nach Bedarf Spannungswandler und/oder Gleichrichter umfassen. Das Steuergerät 42 kann von einer nicht dargestellten übergeordneten Steuerung einer HVAC („Heating, Ventilation and Air Conditioning“) angesteuert sein. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann die übergeordnete HVAC das Gebläse 48 direkt ansteuern.
2 zeigt eine Draufsicht auf ein elektrisches Heizelement 14. Das in 2 dargestellte elektrische Heizelement 14 umfasst einen plattenförmigen Wärmeübertrager 16 mit einer Plattenfläche 18. Die Plattenfläche 18 definiert eine Plattenebene 20, was in 2 ebenfalls symbolisch durch das Achsenkreuz mit den Bezeichnungen x und y angedeutet ist. In der Plattenfläche 18 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 sind Durchlässe 28, 28' angeordnet, die als quadratische Löcher ausgeführt sind. Andere Ausgestaltungen der Durchlässe 28, 28' sind möglich. Die Durchlässe 28, 28' können eine im Wesentlichen regelmäßige Gitterstruktur ausbilden. Die Durchlässe 28, 28' können beispielsweise aus dem plattenförmigen Wärmeübertrager ausgestanzt beziehungsweise ausgeschnitten sein. Die Durchlässe 28, 28' können alternativ in einer in 2 nicht dargestellten Weise auch eine unregelmäßige Anordnung aufweisen. Auf der in 2 sichtbaren Oberfläche der Plattenfläche 18 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 ist ein Schichtheizelement 26 erkennbar. Das Schichtheizelement 26 ist auf der Oberfläche des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 aufgebracht und mäandriert zwischen den Durchlässen 28, 28'. Bei der Herstellung des Schichtheizelementes 26 kann beispielsweise zunächst eine vollflächige Auftragung erfolgen. Eine Strukturierung des Schichtheizelementes 26 kann anschließend beispielsweise durch Trimmschnitte, beispielsweise mittels eines Lasers, und/oder durch das Ausbilden der Durchlässe 28, 28' in der Plattenfläche 18 erfolgen. Auf diese Art kann eine Heizleistung des Schichtheizelementes 26 eingestellt werden. Die Enden des Schichtheizelementes 26 bilden ein erster elektrischer Anschlusskontakt 36 und ein zweiter elektrischer Anschlusskontakt 38. Der erste elektrische Anschlusskontakt 36 und der zweite elektrische Anschlusskontakt 38 können insbesondere auf der Plattenfläche 18 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 angeordnet sein, um die ordnungsgemäße elektrische Kontaktierung des Schichtheizelementes zu gewährleisten. Ein in 2 markiertes Detail 64 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 ist im Folgenden vergrößert dargestellt.
3 zeigt ein Detail 64 eines plattenförmigen Wärmeübertragers 16. Erkennbar ist insbesondere der Durchlass 28, der quadratisch ausgeführt ist und insbesondere eine den Durchlass 28 charakterisierende Durchlassbreite b_D 68 aufweist. Zwischen verschiedenen Durchlässen ist weiterhin eine Stegbreite b_Steg 70 erkennbar, die betragsmäßig beispielsweise mit der Durchlassbreite b_D 68 übereinstimmen kann. Weiterhin ist eine Randbreite b_Rand 66 erkennbar, die einen minimalen Abstand des Durchlasses 28 von einem äußeren Rand 32 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 bezeichnen kann. Die Randbreite b_Rand 66 kann insbesondere vorteilhaft für die mechanische Stabilität des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 sein.
4 zeigt eine isometrische Ansicht eines elektrischen Heizelementes 14. Das in 4 dargestellte elektrische Heizelement 14 kann dem aus 2 bereits bekannten elektrischen Heizelement 14 entsprechen. Anhand der isometrischen Darstellung kann insbesondere die Lage der Plattenebene 20 und einer Flächennormalen 24, die senkrecht zu der Plattenebene 20 angeordnet ist, erkannt werden. Weiterhin ist in 4 erkennbar, dass eine Plattendicke des elektrischen Heizelementes 14 in Richtung der Flächennormalen 24 sehr klein im Verhältnis zu einer Plattenfläche des elektrischen Heizelementes 14 ist, so dass das elektrische Heizelement 14 in Richtung der Flächennormalen, die der angestrebten Durchströmrichtung des zu erwärmenden Mediums entspricht, sehr gering ist.
5 zeigt eine seitliche Schnittansicht durch mehrere elektrische Heizelemente 14, 14', 14". Die elektrischen Heizelemente 14, 14', 14" sind in Richtung der Flächennormalen 24 parallel zueinander und versetzt zueinander angeordnet, so dass Durchlässe 28 und korrespondierende Aussparungen 30 in dem elektrischen Heizelement 14 versetzt zu Durchlässen 28' und korrespondierenden Aussparungen 30' in dem elektrischen Heizelement 14' angeordnet sind. Die elektrischen Heizelemente 14, 14', 14" können in Richtung der Flächennormalen 24 aneinander anliegend angeordnet sein oder in nicht dargestellter Weise in Richtung der Flächennormalen 24 voneinander beabstandet angeordnet sein. Ein zu erwärmendes Medium 12 strömt in Richtung der Flächennormalen 24 zunächst durch Durchlässe 28 und korrespondierende Aussparungen 30 in dem elektrischen Heizelement 14. Nach einer Umlenkung des Mediums 12 in der Plattenebene aufgrund des Versatzes zwischen den Aussparungen 30 und den Durchlässen 28' strömt das Medium anschließend durch Durchlässe 28' und korrespondierende Aussparungen 30' in dem elektrischen Heizelement 14' und schließlich durch entsprechende Durchlässe 28" und korrespondierende Aussparungen 30" in dem elektrischen Heizelement 14". Dabei erfolgt eine Erwärmung des Mediums 12.
Das elektrische Heizelement 14 umfasst den plattenförmigen Wärmeüberträger 16 mit den Durchlässen 28. Der plattenförmige Wärmeübertrager 16 kann eine konstante Plattendicke 22 aufweisen. Auf eine obere Fläche des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 ist das Schichtheizelement 26 aufgebracht. Das Schichtheizelement 26 kann insgesamt eine Schichtdicke 72 in Richtung der Flächennormalen 24 aufweisen. Die Schichtdicke 72 kann im Wesentlichen konstant sein. Das Schichtheizelement 26 kann eine Isolationsschicht 74 und eine Heizschicht 76 umfassen. Die Isolationsschicht 74 kann die Heizschicht 76 im Wesentlichen vollständig umgeben. Bei der in 5 dargestellten Schnittansicht sind elektrische Anschlusskontakte des Schichtheizelementes 26, die naturgemäß elektrisch leitend mit der Heizschicht 76 verbunden sein müssen, nicht dargestellt. Die an dem elektrischen Heizelement 14 angeordnete Heizschicht 76 kann ein einziges Widerstandsheizelement sein. Alternativ können auch mehrere voneinander unabhängige Widerstandsheizelemente in Form mehrerer voneinander getrennter Heizschichten 76 beziehungsweise Leiterbahnen auf die Oberfläche des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 aufgebracht sein.
6 zeigt eine weitere seitliche Schnittansicht durch mehrere elektrische Heizelemente 14, 14', 14". Im Unterschied zu 5 ist bei den in 6 dargestellten elektrischen Heizelementen 14, 14', 14" die Isolationsschicht 74 des Schichtheizelementes 26 um den Rand 32 der Plattenfläche 18 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 herumgeführt. Das Schichtheizelement 26 ragt somit über den die Plattenfläche begrenzenden Rand 32 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 hinaus und bedeckt diesen zumindest teilweise. Neben der Flächennormalen 24, die die Plattenebene 20 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 festlegen kann, können auch für den Rand 32 entsprechende Randflächennormale 34, 34' definiert werden, die in üblicher Weise die Orientierung der Randfläche im Raum definieren. Durch das Bedecken des Randes 32 der Plattenfläche 18 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 können insbesondere der erste elektrische Anschlusskontakt 36 und der zweite elektrische Anschlusskontakt 38 der Heizschicht 76 an den Rand 32, insbesondere in Richtung der Randflächennormalen 34, 34' verlagert werden, so dass eine Bauhöhe des elektrischen Heizelementes 14, 14', 14" in Richtung der Flächennormalen 24 der Plattenfläche 18 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 sehr gering ist. Die in 6 dargestellten Elemente entsprechen in weiten Teilen den aus 5 bereits bekannten Elementen der elektrischen Heizelemente 14, 14', 14", so dass diese in 6 zur Verbesserung der Übersichtlichkeit nur teilweise mit Bezugszeichen versehen sind.
Der Übergang zwischen dem Rand 32, der Plattenfläche 18 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 kann insbesondere in einer in 6 nicht dargestellten Weise abgerundet ausgeführt sein, um die in 6 deutlich erkennbare spitze „Kante“ zu vermeiden, die insbesondere beim Aufbringen des Schichtheizelementes 26 auf den plattenförmigen Wärmeübertrager 16 und den Rand 32 des plattenförmigen Wärmeübertragers 16 eine einheitliche Schichtdicke beim Übergang zwischen dem Rand 32 und der Plattenfläche 18 erschwert. Eine „Kante“ am Übergang von der Plattenfläche 18 zu dem Rand 32 kann insbesondere eine Querschnittsverringerung der Heizschicht 76 verursachen, so dass an dem besagten Übergang beim Betrieb des elektrischen Heizelementes 14, 14', 14" unerwünschte thermische Hotspots gebildet werden könnten, die die Lebensdauer des elektrischen Heizelementes 14, 14', 14" nachteilig beeinflussen können.
Bezugszeichenliste

10: elektrisches Heizgerät
12: Medium
14: elektrisches Heizelement
14': elektrisches Heizelement
14": elektrisches Heizelement
16: plattenförmiger Wärmeübertrager
18: Plattenfläche
20: Plattenebene
22: Plattendicke
24: Flächennormale
26: Schichtheizelement
28: Durchlass
28': Durchlass
28": Durchlass
30: Aussparung
30': Aussparung
30": Aussparung
32: Rand
34: Randflächennormale
34': Randflächennormale
36: erster elektrischer Anschlusskontakt
38: zweiter elektrischer Anschlusskontakt
40: Fahrzeug
42: Steuergerät
44: Spannungsquelle
46: Raum
48: Gebläse
50: elektrische Steuerleitung
52: weitere elektrische Steuerleitung
54: Spannungsversorgung
56: Außenraumluftzuführung
58: Innenraumluftzuführung
60: Luftführung
62: weitere Luftführung
64: Detail
66: Randbreite b_Rand
68: Durchlassbreite b_D
70: Stegbreite b_Steg
72: Heizschichtdicke
74: Isolationsschicht
76: Heizschicht

Claims

Elektrisches Heizgerät (10) zum Erwärmen eines das elektrische Heizgerät (10) durchströmenden Mediums (12), insbesondere Luft, umfassend - mindestens ein elektrisches Heizelement (14) mit einem plattenförmigen Wärmeübertrager (16), der eine Plattenfläche (18) in einer Plattenebene (20) und eine Plattendicke (22) in Richtung einer Flächennormalen (24) der Plattenebene (20) hat, und - mindestens ein Schichtheizelement (26), das parallel zu der Plattenebene (20) auf der Plattenfläche (18) an dem plattenförmigen Wärmeübertrager (16) angeordnet ist, wobei das mindestens eine Schichtheizelement (26) auf den plattenförmigen Wärmeübertrager (16) aufgebracht ist, - wobei der plattenförmige Wärmeübertrager (16) Durchlässe (28, 28') aufweist, die ein Hindurchtreten von Medium (12) durch die Plattenebene (20) ermöglichen.
Elektrisches Heizgerät (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere elektrische Heizelemente (14, 14') parallel zueinander und/oder in Richtung der Flächennormalen (24) hintereinander angeordnet sind.
Elektrisches Heizgerät (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren elektrischen Heizelemente (14, 14') zumindest teilweise voneinander beabstandet angeordnet sind.
Elektrisches Heizgerät (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlässe (28, 28') der mehreren elektrischen Heizelemente (14, 14'), die in verschiedenen elektrischen Heizelementen (14, 14') angeordnet sind, in Richtung der Flächennormalen (24) zueinander versetzt angeordnet sind.
Elektrisches Heizgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Schichtheizelement (26) zu den Durchlässen (28, 28') korrespondierende Aussparungen (30, 30') umfasst.
Elektrisches Heizgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtheizelement (26) in der Plattenebene (20) über den plattenförmigen Wärmeübertrager (16) hinausragt und einen die Plattenfläche (18) begrenzenden Rand (32) des plattenförmigen Wärmeübertragers (16) zumindest teilweise bedeckt, wobei Randflächennormalen (34, 34') von der Flächennormalen (24) der Plattenebene (20) abweichen.
Elektrisches Heizgerät (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Anschlusskontakte (36, 38) des Schichtheizelementes (26) an dem von dem Schichtheizelement (26) bedeckten Rand (32) des plattenförmigen Wärmeübertragers (16) angeordnet sind.
Elektrisches Heizgerät (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang von der Flächennormalen (24) der Plattenebene (20) zu den Randflächennormalen (34, 34') kontinuierlich erfolgt.
Fahrzeug (40) mit einem elektrischen Heizgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Heizgerätes (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die folgenden Schritte: - Aufbringen des Schichtheizelementes (26) auf den plattenförmigen Wärmeübertrager (16); - Erzeugen der Durchlässe (28, 28') in dem plattenförmigen Wärmeübertrager (16).