DE102019128467A1

DE102019128467A1 - Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für mobile Anwendungen

Info

Publication number: DE102019128467A1
Application number: DE102019128467.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Buckl; Andreas Schmidmayer; Florian Larisch
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-04-22
Also published as: CN114600554A; WO2021078724A1; JP2022552736A; EP4049511A1; US20220394823A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für mobile Anwendungen, mit einem Substrat und einer auf dem Substrat ausgebildeten Heizleiterschicht (12), wobei die Heizleiterschicht (12) durch zumindest eine erste Trennunterbrechung (13) unterbrochen ist, wobei die erste Trennunterbrechung (13) zumindest einen ersten (15) und einen zweiten (16) Schichtabschnitt der Heizleiterschicht (12) voneinander trennt, wobei der erste Schichtabschnitt (15) an einem ersten Ende (28) mit einem ersten Anschluss (29), beispielsweise Plus-Pol, verbunden ist und der zweite Schichtabschnitt (16) an einem ersten Ende (34) mit einem zweiten Anschluss (35), beispielsweise Minus-Pol, verbunden ist, wobei der erste Schichtabschnitt (15) an einem zweiten Ende (31) mit dem zweiten Schichtabschnitt (16) verbunden ist und über diesen zweiten Schichtabschnitt (16) mit dem zweiten Anschluss (35) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen nach Anspruch 1 sowie ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Heizeinrichtung.
WO 2013/186106 A1 beschreibt eine elektrische Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem als Leiterbahn auf einem Substrat ausgebildeten Heizwiderstand. Die Leiterbahn ist bifilar ausgebildet und im Bereich einer Leiterbahnumlenkung in die Gegenrichtung ist ein verbreiterter Isolationsbereich vorgesehen. Der verbreiterte Isolationsbereich soll bewirken, dass sich ein Stromfluss möglichst durch die volle Breite der Leiterbahn einstellt, um zu vermeiden, dass sich lokal innenliegend besonders gut durchströmte Bereiche und im außenliegenden Randbereich der Leiterbahn schlecht durchströmte Bereiche ausbilden können. In diesem Zusammenhang hat sich jedoch herausgestellt, dass sich im Bereich der Leiterbahnumlenkung immer noch eine vergleichsweise stark erhöhte Temperatur einstellen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Heizeinrichtung sowie ein entsprechendes Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, vorzuschlagen, bei der eine vergleichsweise homogene Temperaturverteilung erreicht wird, wobei die elektrische Heizeinrichtung möglichst kompakt und kostengünstig in der Herstellung sein soll.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für mobile Anwendungen, nach Anspruch 1 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für mobile Anwendungen, vorzugsweise für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, gelöst, mit: einem (insbesondere elektrisch isolierenden und/oder zumindest gegenüber der Heizleiterschicht elektrisch isolierten) Substrat und einer auf dem Substrat (insbesondere in einer Hauptebene) ausgebildeten (elektrisch leitfähigen) Heizleiterschicht, wobei die Heizleiterschicht durch zumindest eine erste Trennunterbrechung (insbesondere vollständig) unterbrochen ist, wobei die erste Trennunterbrechung zumindest einen ersten (elektrisch leitfähigen) und einen zweiten (elektrisch leitfähigen; insbesondere nebeneinander, vorzugsweise auf zumindest im Wesentlichen gleicher Höhe gegenüber dem Substrat, verlaufenden) Schichtabschnitt der Heizleiterschicht voneinander trennt, wobei der erste Schichtabschnitt an einem ersten Ende mit einem ersten (elektrischen) Anschluss bzw. Pol, beispielsweise Plus-Pol (elektrisch leitend) verbunden ist und der zweite Schichtabschnitt an einem ersten Ende mit einem zweiten (elektrischen) Anschluss bzw. Pol, beispielsweise Minus-Pol (elektrisch leitend) verbunden ist, wobei der erste Schichtabschnitt an einem zweiten Ende mit dem zweiten Schichtabschnitt (ggf. über einen Verbindungsabschnitt, insbesondere Verbindungsstreifen) verbunden ist und (zumindest, ggf. nur) über diesen zweiten Schichtabschnitt mit dem zweiten Anschluss bzw. Pol verbunden ist. Entsprechend ist der zweite Schichtabschnitt vorzugsweise (zumindest, ggf. nur) über den ersten Schichtabschnitt mit dem ersten Anschluss bzw. Pol verbunden.
Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, mindestens zwei Schichtabschnitte einer Heizleiterschicht durch eine (erste) Trennunterbrechung voneinander zu trennen und entsprechend so zu verschalten bzw. elektrisch zu verbinden (zu kontaktieren), dass ein Strom über die mindestens zwei Schichtabschnitte (insbesondere seriell) fließt und ein Aufheizen stattfinden kann. Der Herstellungs- und insbesondere Strukturierungsaufwand kann dabei vergleichsweise gering ausfallen. Die Temperatur (im Betrieb) im Bereich von Umlenkungen kann vergleichsweise moderat sein oder nicht wesentlich erhöht sein (gegenüber sonstigen Bereichen). Insgesamt wird auf einfache Art und Weise eine effektiv und zuverlässig arbeitende Heizeinrichtung erzielt.
Unter einer Trennunterbrechung ist insbesondere eine Unterbrechung zu verstehen, die einen Stromfluss (unmittelbar bzw. über die Trennunterbrechung) zwischen entsprechenden jeweils voneinander getrennten Bereichen bzw. Abschnitten verhindert ist oder zumindest reduziert ist. Dazu ist die Trennunterbrechung vorzugsweise isolierend ausgebildet oder weist einen entsprechend hohen Widerstand auf.
Eine elektrische Leitfähigkeit der (jeweiligen) Trennunterbrechung ist vorzugsweise kleiner als 10⁶ S·m^-1, weiter vorzugsweise kleiner als 10³ S·m^-1, weiter vorzugsweise kleiner als 10^-1 S·m^-1, weiter vorzugsweise kleiner als 10^-4 S·m^-1, weiter vorzugsweise kleiner als 10^-6 S·m^-1 (bei 20°C).
Alternativ oder zusätzlich ist eine elektrische Leitfähigkeit der (jeweiligen) Trennunterbrechung vorzugsweise geringer als eine elektrische Leitfähigkeit der jeweiligen voneinander getrennten Abschnitte, insbesondere multipliziert mit dem Faktor 0,5; vorzugsweise multipliziert mit dem Faktor 0,1, weiter vorzugsweise multipliziert mit dem Faktor 0,05, (bei 20°C).
Alternativ oder zusätzlich ist eine elektrische Leitfähigkeit der (jeweiligen) Trennunterbrechung vorzugsweise geringer als eine elektrische Leitfähigkeit eines/des elektrischen Verbindungsabschnittes, insbesondere Verbindungsstreifens, z.B. Kupferstreifens, insbesondere multipliziert mit dem Faktor 0,5; vorzugsweise multipliziert mit dem Faktor 0,1, weiter vorzugsweise multipliziert mit dem Faktor 0,05, (bei 20°C).
Vorzugsweise ist die Heizleiterschicht durch mindestens eine zweite Trennunterbrechung (insbesondere vollständig) unterbrochen, wobei die zweite Trennunterbrechung zumindest einen dritten von zumindest einem zweiten Schichtabschnitt der Heizleiterschicht voneinander trennt. Weiter vorzugsweise ist der dritte Abschnitt an einem ersten Ende mit dem ersten Anschluss bzw. Pol, beispielsweise Plus-Pol (elektrisch leitend) verbunden. Insgesamt kann dadurch eine besonders effektive und dennoch einfache Strukturierung erzielt werden.
Der dritte Schichtabschnitt ist vorzugsweise mit dem zweiten Anschluss (nur) über den zweiten Schichtabschnitt verbunden.
Insoweit im Vorliegenden von Verbindungen die Rede ist, sollen damit immer elektrisch leitende Verbindungen gemeint sein, es sei dann es ergibt sich aus dem Kontext etwas Anderes.
In einer konkreten Ausführungsform liegen genau zwei Trennunterbrechungen vor, es können jedoch auch mindestens drei oder mindestens vier Trennunterbrechungen vorliegen. Insofern kann die Heizleiterschicht ausführungsgemäß in genau zwei oder drei, ggf. jedoch auch in mehr als drei, insbesondere in mehr als vier oder in mehr als fünf Schichtabschnitte (durch entsprechende Trennunterbrechungen) unterteilt sein.
Ausführungsgemäß sind der erste und zweite Schichtabschnitt (zumindest teilweise) durch einen zusätzlichen bzw. separaten Leiter, insbesondere einen Draht und/oder einen leitenden (ausführungsgemäß unstrukturierten) Streifen (Metallstreifen) miteinander (leitend) verbunden, wobei der Steifen alternativ auch strukturiert ausgebildet sein kann. Unter einem separaten Leiter ist insbesondere ein Leiter zu verstehen, der strukturell gegenüber der Heizleiterschicht abgetrennt ist, insbesondere auf und/oder an der Heizleiterschicht (zusätzlich) angebracht ist und/oder gegenüber der Heizleiterschicht eine erhöhte (oder verminderte) Dicke aufweist. Besonders bevorzugt ist ein Metallstreifen, weiter vorzugsweise Kupferstreifen (also ein Metallstreifen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung). Der separate Leiter (insbesondere Streifen) kann sich über mindestens 50 %, ggf. mindestens 80 % oder (zumindest nahezu) 100 % einer Seite der (gesamten) Heizleiterschicht erstrecken (oder sogar über diese Seite hinaus). Eine Breite des separaten Leiters (insbesondere Streifens) entspricht vorzugsweise maximal 50 %, weiter vorzugsweise maximal 10 % einer Ausdehnung der Heizleiterschicht in Richtung der Breite des separaten Leiters (Streifens). In konkreten Ausführungsformen ist der separate Leiter (insbesondere Streifen) mindestens 3-mal, vorzugsweise mindestens 5-mal so lang wie breit. Der separate Leiter (insbesondere Streifen) kann (zumindest im Wesentlichen) eine rechteckförmige Kontur aufweisen und/oder zwei (insbesondere parallele) Längsseiten aufweisen, die sich über mindestens 50 % der Gesamt-Länge des Streifens erstrecken.
In Ausführungsformen sind dem ersten und zweiten Anschluss bzw. Pol (zumindest teilweise) ein zweiter (separater) Leiter, insbesondere ein (zweiter) Draht und/oder ein (zweiter) leitender, insbesondere gemeinsamer und/oder durch mindestens eine Anschluss-Trennunterbrechung in mindestens zwei voneinander getrennte Streifenabschnitte aufgeteilter, Streifen, zugeordnet.
In Ausführungsformen kann der zweite separate Leiter eine Konturlinie wie der erste separate Leiter aufweisen. Vorzugsweise unterscheidet sich der zweite separate Leiter von dem ersten separaten Leiter (zumindest oder sogar nur) dadurch, dass der zweite separate Leiter mindestens eine Anschluss-Trennunterbrechung umfasst (die ihn in mindestens zwei voneinander elektrisch getrennte Streifenabschnitte aufteilt).
Der zweite separate Leiter kann (abgesehen von der/den Anschluss-Trennunterbrechung/en) eine Geometrie bzw. Struktur aufweisen, wie im Hinblick auf den ersten separaten Leiter beschrieben (selbst wenn der erste separate Leiter nicht gemäß einer solchen Geometrie ausgebildet ist oder eine alternative Geometrie aufweist). Auch hinsichtlich der Materialwahl wird hinsichtlich des zweiten separaten Leiters auf den ersten separaten Leiter verwiesen (selbst wenn dieser nicht die obige, optional vorgeschlagene Materialwahl aufweist). Insgesamt wird durch den zweiten separaten Leiter auf einfache Art und Weise ein Anschluss für die einzelnen Schichtabschnitte ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform geht mindestens eine Anschluss-Trennunterbrechung in mindestens eine Trennunterbrechung (der Heizleiterschicht) über und/oder fluchtet mit dieser und/oder ist auf derselben Linie wie diese angeordnet. In einer konkreten Ausführungsform kann jeder Trennunterbrechung (der Heizleiterschicht) eine entsprechende Anschluss-Trennunterbrechung des zweiten separaten Leiters (Streifens) zugeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste und zweite Anschluss (Pol) auf derselben Seite der Heizleiterschicht angeordnet. Unter einer Seite der Heizleiterschicht ist insbesondere eine Randseite zu verstehen (also insbesondere keine Ober- bzw. Unterseite, sondern insbesondere eine Randseite in einer Ansicht von oben (Draufsicht)). Bei der Randseite kann es sich um eine (oder ggf. zwei) kürzere Seiten handeln (alternativ um eine von ggf. zwei längeren Seiten).
In einer konkreten Ausführungsform können erster und zweiter separater Leiter auf sich gegenüberliegenden Seiten (im Sinne des vorherigen Absatzes) angeordnet sein.
Ausführungsgemäß verläuft mindestens eine Trennunterbrechung zumindest im Wesentlichen gerade. Unter einem zumindest im Wesentlichen geraden Verlauf ist insbesondere zu verstehen, dass die Trennunterbrechung entweder über ihre gesamte Länge in dieselbe Richtung verläuft oder ggf. in (zumindest geringfügig) voneinander abweichenden Richtungen, wobei jedoch vorzugsweise eine maximale Abweichung (unter allen Paaren von jeweils lokalen Richtungen) nicht größer als 45°, vorzugsweise nicht größer als 20°, weiter vorzugsweise nicht größer als 10° ist. Insbesondere soll eine Richtung der Trennunterbrechung (bezüglich ihres Verlaufs) an keiner Stelle 180° gegenüber mindestens einer anderen Stelle (bzw. der dortigen Richtung) sein. Dadurch kann auf einfache Art und Weise eine Strukturierung erfolgen.
Die Heizleiterschicht und/oder der erste und/oder der zweite und/oder der dritte Schichtabschnitt ist/sind in bevorzugten Ausführungsformen zumindest im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet. Alternative Geometrien sind denkbar (beispielsweise kreisförmig, elliptisch oder allgemein vieleckig).
Vorzugsweise bedeckt die Heizleiterschicht zumindest 80 % einer Substratoberfläche, weiter vorzugsweise zumindest 85 % der Substratoberfläche. In diesem Fall ist eine vergleichsweise gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Substratoberfläche gegeben und es ist trotzdem noch eine ausreichende Trennung der einzelnen Bahnabschnitte gegeneinander ermöglicht. Die Heizleiterschicht kann insbesondere weniger als 95 % der Substratoberfläche bedecken.
In den Trennunterbrechungen kann ein elektrisch isolierendes Material angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können die Trennunterbrechungen auch durch (beispielsweise spaltartige) Freiräume ausgebildet werden.
Auf der Heizleiterschicht kann zumindest eine weitere Schicht, insbesondere Isolierschicht, ausgebildet sein.
In Ausführungsformen ist der zweite Schichtabschnitt breiter als der erste und/oder dritte Schichtabschnitt, vorzugsweise mindestens 1,2-mal so breit, weiter vorzugsweise mindestens 1,5-mal so breit. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der zweite Schichtabschnitt als gemeinsamer leitender Schichtabschnitt für zwei (beispielsweise in einem ersten Schichtabschnitt und einem dritten Schichtabschnitt voneinander getrennte) Heizkreise ausgebildet wird.
Mindestens zwei der vorliegenden (insbesondere der erste und der zweite), ggf. sämtliche vorliegenden (insbesondere der erste, zweite und dritte), Schichtabschnitte können in einer Ebene, insbesondere auf einer gemeinsamen planen Oberfläche angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können mindestens zwei der vorliegenden (insbesondere der erste und der zweite), ggf. sämtliche vorliegenden (insbesondere der erste, zweite und dritte), Schichtabschnitt nicht in einer Ebene, beispielsweise auf einer nicht-planen Oberfläche und/oder in verschiedenen Ebenen angeordnet sein (wenn beispielsweise vier oder sechs Schichtabschnitte vorgesehen sind, von denen je zwei bzw. je drei auf verschiedenen Ebenen, insbesondere auf verschiedenen Substraten, angeordnet sind).
Generell sind vorzugsweise zwei oder mehr Heizkreise ausgebildet. Die einzelnen Heizkreise sollen sich vorzugsweise dadurch unterscheiden, dass sie mindestens einen Schichtabschnitt (beispielsweise einen ersten Schichtabschnitt) aufweisen, der mindestens einem weiteren Heizkreis nicht zugeordnet ist. Dadurch soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass ein weiterer Schichtabschnitt (beispielsweise der zweite Schichtabschnitt) gemeinsam in zwei Heizkreisen enthalten ist. In einer konkreten Ausführungsform umfasst die elektrische Heizeinrichtung mindestens zwei Heizkreise, wobei der erste Schichtabschnitt nur dem ersten Heizkreis zugeordnet ist, der dritte Schichtabschnitt nur dem zweiten Heizkreis zugeordnet ist und der zweite Schichtabschnitt beiden Heizkreisen zugeordnet ist. Unter einem Heizkreis ist insbesondere ein elektrischer Stromkreis zu verstehen, der sich von einem ersten Anschluss (Pol) zu einem zweiten Anschluss (Pol) erstreckt.
Mindestens eine Trennunterbrechung durchläuft die Heizleiterschicht vorzugsweise von einer ersten bis zu einer zweiten Seite (Randseite) derselben, insbesondere vollständig. Bei den Seiten (Randseiten) handelt es sich vorzugsweise um gegenüberliegende (Rand-)Seiten.
In einer konkreten Ausführungsform ist die elektrische Heizeinrichtung eine Kfz-Heizeinrichtung.
Die obengenannte Aufgabe wird insbesondere weiterhin gelöst durch ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Heizeinrichtung der obigen Art.
Die obengenannte Aufgabe wird insbesondere weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur (der) Herstellung der obigen elektrischen Heizeinrichtung.
Vorzugsweise wird mindestens eine Trennunterbrechung durch eine Laserstrukturierung hergestellt. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Trennunterbrechung durch eine Maskierung mindestens eines Maskierungsabschnittes (beim Aufbringen der Heizschicht) hergestellt werden.
In einer konkreten Ausführungsform des Verfahren kann mindestens eine Trennunterbrechung alternativ oder zusätzlich durch einen bei der Herstellung eingebrachten (und später wieder entfernten) länglichen Körper, insbesondere Draht, hergestellt werden.
Generell kann die Heizschicht durch thermisches Spritzen aufgebracht werden.
Zur elektrischen Kontaktierung kann mindestens ein, insbesondere Kupfer umfassendes, Kontaktpad vorgesehen sein, beispielsweise je ein Kontaktpad pro Schichtabschnitt. Unter einem Kontaktpad ist vorzugsweise ein, beispielsweise rundlicher und/oder ovaler (insbesondere elliptischer) Kontaktabschnitt zu verstehen, der vorzugsweise durch Aufbringen aus dem flüssigen Zustand, beispielsweise Auftropfen (Löten) aufgebracht wird.
Ein, vorzugsweise Kupfer umfassender, Anschlussstreifen und/oder mindestens ein, vorzugsweise Kupfer umfassender, Verbindungsstreifen können thermisch gespritzt werden.
Mindestens ein, vorzugsweise Kupfer umfassender, Anschlussstreifen und/oder mindestens ein, vorzugsweise Kupfer umfassender, Verbindungsstreifen können mit mindestens einem (dem), vorzugsweise Kupfer umfassenden, Kontaktpad verbunden werden.
Insgesamt wird eine elektrische Heizeinrichtung vorgeschlagen, die insbesondere den zunehmenden Bedarf in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen (aufgrund deren zunehmender Verbreitung) effektiv abdecken kann. In der Vergangenheit kamen als elektrische Heizeinrichtungen für derartige mobile Anwendungen überwiegend sogenannte PTC-Heizelemente zum Einsatz, die mit vergleichsweise niedrigen Versorgungsspannungen betrieben wurden, die in einem Bordnetz eines herkömmlichen Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor vorhanden sind. Insbesondere bei modernen Fahrzeugen, die vollständig oder teilweise elektrisch angetrieben werden, besteht der Bedarf, die Fahrzeuge auch elektrisch mit den Versorgungsspannungen betreiben zu können, die in einem bei diesen realisierten Hochvolt-Bordnetz vorliegen, wie z.B. einer Spannung in einem Bereich zwischen 150 Volt und 900 Volt, ggf. sogar bis über 1.000 Volt.
Unter einer Heizeinrichtung für mobile Anwendungen wird im vorliegenden Kontext eine Heizeinrichtung verstanden, die für den Einsatz in mobilen Anwendungen ausgelegt und dementsprechend angepasst ist. Dies bedeutet insbesondere, dass sie transportabel ist (ggf. in einem Fahrzeug fest eingebaut oder lediglich für den Transport darin untergebracht) und nicht ausschließlich für den dauerhaften, stationären Einsatz, wie es beispielsweise bei der Beheizung eines Gebäudes der Fall ist, ausgelegt ist. Ein Gewicht der Heizeinrichtung kann unter 500 kg, vorzugsweise unter 100 kg, noch weiter vorzugsweise unter 20 kg liegen. Die Heizeinrichtung kann ggf. fest in einem Fahrzeug (Landfahrzeug, Schiff, etc.) insbesondere in einem Landfahrzeug, installiert sein. Insbesondere kann sie zur Beheizung eines Fahrzeug-Innenraums, wie beispielsweise eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs, sowie eines (Teil-) offenen Raums, wie er beispielsweise auf Schiffen, insbesondere Yachten, aufzufinden ist, ausgelegt sein. Die Heizeinrichtung kann auch (vorübergehend) stationär eingesetzt werden, wie beispielsweise in großen Zelten, Containern (z.B. Baucontainern), et cetera. Insbesondere kann die elektrische Heizeinrichtung für mobile Anwendungen als Stand- oder Zuheizer für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen PKW, etc., ausgelegt sein.
Das Substrat kann eine plane oder nicht-plane (beispielsweise gewölbte oder gekrümmte) Oberfläche aufweisen. Die (ggf. nebeneinander verlaufenden) durch Trennunterbrechungen voneinander getrennten Schichtabschnitte sind vorzugsweise auf einer (zumindest im Wesentlichen) gleichmäßigen Höhe gegenüber der Substratoberfläche angeordnet.
Vorzugsweise ist in den Trennunterbrechungen ein elektrisch isolierendes Material angeordnet. Das elektrisch isolierende Material kann bevorzugt neben den Trennunterbrechungen auch die von dem Substrat abgewandte Oberfläche der Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen bedecken. Das elektrische isolierende Material kann insbesondere bevorzugt nach dem Ausbilden der Heizleiterbahn bzw. der Heizleiterbahnen als Schicht abgeschieden sein. Das elektrisch isolierende Material ist bevorzugt einerseits elektrisch (vergleichsweise gut) isolierend, andererseits aber thermisch (vergleichsweise gut) leitend. Durch das elektrisch isolierende Material kann die Breite der Isolierunterbrechungen vergleichsweise klein gehalten werden, so dass die zur Verfügung stehende Oberfläche des Substrats effizient für die Heizleiterbahn bzw. Heizleiterbahnen ausgenutzt werden kann.
Gemäß einer Weiterbildung ist auf der Heizleiterschicht zumindest eine weitere Schicht ausgebildet. Es können insbesondere auch mehrere Schichten auf der Heizleiterschicht ausgebildet sein. Bevorzugt kann auf der Heizleiterschicht eine Isolierschicht ausgebildet sein, die ggf. auch die Trennunterbrechungen zwischen den Bahnabschnitten der Heizleiterbahn füllt. Auf der Isolierschicht kann bevorzugt z.B. auch noch eine Sensorschicht zur Überwachung der Funktion der elektrischen Heizeinrichtung ausgebildet sein. Über die Isolierschicht kann ein hohes Maß an Sicherheit bereitgestellt werden, indem stromführende Bereiche zusätzlich isoliert sind.
In einer konkreten Ausführungsform ist die elektrische Heizeinrichtung eine Kraftfahrzeug-Heizeinrichtung. Die elektrische Heizeinrichtung kann dabei insbesondere zum Beheizen eines Fluids, wie z.B. Luft für einen Innenraum des Fahrzeugs oder einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs ausgebildet sein.
Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin insbesondere durch die Verwendung einer elektrischen Heizeinrichtung der oben beschriebenen Art für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, gelöst.
Die Ausgestaltung der elektrischen Heizeinrichtung hat im Allgemeinen auch den Vorteil, dass kein (oder nur wenig) zusätzlicher Platz auf der Substratoberfläche benötigt wird, so dass eine effiziente Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Platzes ermöglicht wird. Insgesamt ist eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Ausgestaltung möglich.
Die Heizleiterschicht ist vorzugsweise eine flächig auf dem Substrat abgeschiedene und ggf. anschließend unter Materialabtrag strukturierte Schicht. Dies ermöglicht eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung der Heizleiterbahn bzw. der Heizleiterbahnen. Die Heizleiterschicht kann bevorzugt durch ein thermisches Spritzverfahren auf dem Substrat aufgebracht und anschließend (z.B. durch Laserbearbeitung) strukturiert sein. Grundsätzlich sind aber auch andere Verfahren, wie z.B. Druckverfahren, Gießverfahren oder Ähnliches zur Ausbildung der Heizleiterschicht denkbar. Ebenso sind andere Verfahren zur Strukturierung möglich, wie beispielsweise Ätzen, mechanisches Abtragen, Ultraschall oder Ähnliches. Die Heizleiterschicht ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen, Material gefertigt. Weiterhin kann die Heizleiterschicht über eine zwischengelagerte, elektrisch isolierende (und ggf. thermisch gut leitfähige) Zwischenschicht von dem Material des Substrates getrennt sein. Insbesondere kann die Heizleiterschicht beispielsweise aus einer Nickel-Chrom-Legierung gebildet sein und/oder über eine Aluminiumoxidschicht von dem Material des Substrates getrennt sein. Das Substrat kann vorzugsweise eine vergleichsweise gute thermische Leitfähigkeit aufweisen, insbesondere aus einem Metall gefertigt sein.
Die Heizleiterschicht bzw. der jeweilige Schichtabschnitt kann bevorzugt eine Dicke (in der Richtung senkrecht zum Substrat) im Bereich von 5 µm bis 30 µm, insbesondere im Bereich von 10 µm bis 25 µm aufweisen.
Ein Breite (bzw. Ausdehnung senkrecht auf eine Richtung des Stromflusses) eines (jeweiligen) Schichtabschnittes kann mindesten 5 mm, vorzugsweise mindestens 25 mm und/oder höchstens 500 mm, ggf. höchsten 100 mm aufweisen.
In einer konkreten Ausführungsform ist die elektrische Heizeinrichtung als Hochvolt-Heizung für eine Betriebsspannung im Bereich von vorzugsweise zwischen 150 Volt und 900 Volt, weiter vorzugsweise zwischen 200 Volt und 600 Volt ausgelegt. Es ist jedoch ggf. auch eine Auslegung bis über 1.000 Volt möglich. In diesem Fall kann die elektrische Heizeinrichtung besonders vorteilhaft beispielsweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zum Einsatz kommen (ohne dass zwingend aufwändige Spannungswandler erforderlich sind).
Vorzugsweise wird durch eine Strukturierung (mittels Trennunterbrechung/en) ein HV+ und ein HV- Potenzial getrennt. Auf die Heizleiterschicht kann eine dünne Schicht Kupfer (insbesondere thermisch gespritzt) aufgebracht sein bzw. werden. Grundsätzlich ist eine Heizeinrichtung mit beispielsweise zwei Heizkreisen denkbar. Das erfindungsgemäße Prinzip ist jedoch auch auf Heizeinrichtungen (bzw. Heizelemente) mit mehr als zwei Heizkreisen anwendbar.
Generell ergibt sich ein vergleichsweise geringer Strukturierungsaufwand (beispielsweise zwei Laserbahnen pro Heizeinrichtung bzw. Heizelement). Eine Strukturierung ist ggf. mit einem identischen Parametersatz für ein Lasersystem sowohl für ein Heizelement als auch für ein Heizelement mit leitenden Streifen (Kupferstreifen) möglich.
Eine Temperatur in eventuellen Umlenkbereichen (beispielsweise 2-mal) ist nicht unbedingt wesentlich erhöht.
Es ist ggf. kein zusätzlicher Spritzprozess notwendig, da ein metallischer Streifen (Kupferstreifen) aus gleichem Material wie optionale Kontaktpads erstellt werden kann.
Aufgrund einer vergleichsweise geringen Strukturierungslänge kann eine Maskierung der einzelnen Bahnen (Schichtabschnitte) selbst (beispielsweise anstatt einer nachträglichen Laserstrukturierung) erfolgen. Ein (ggf. aufwändiger) Laserprozess kann dadurch entfallen.
Mehrere Heizkreise können beispielsweise durch einen Draht bei der Fertigung voneinander getrennt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, das anhand der Abbildungen näher erläutert wird. Hierbei zeigt:

1 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizeinrichtung.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
1 zeigt eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung.
Diese weist eine Heizleiterschicht 12 auf, die auf einem (nicht gezeigten) Substrat angeordnet sein kann. Die Heizleiterschicht 12 ist durch Trennunterbrechungen 13, 14 in einen ersten Schichtabschnitt 15, einen zweiten Schichtabschnitt 16 und einen dritten Schichtabschnitt 17 unterteilt. Die Trennunterbrechungen 13, 14 trennen die entsprechenden Schichtabschnitte 15, 16 bzw. 16, 17 (vollständig) voneinander. Insgesamt sind die Schichtabschnitte 15 bis 17 jedoch nicht vollständig voneinander trennt, sondern über einen metallischen Streifen 18 (Kupferstreifen) miteinander (elektrisch leitend) verbunden.
Gegenüber dem Streifen 18 ist ein zweiter Streifen (Anschlussstreifen) 19 angeordnet (insbesondere metallisch, vorzugsweise Kupfer umfassend).
Der Anschlussstreifen 19 weist Anschluss-Trennunterbrechungen 20, 21 auf, die die Trennunterbrechungen 13, 14 (jeweils) fortsetzen. Dadurch wird der Streifen 19 in drei Streifenabschnitte 22, 23, 24 unterteilt. Die Streifenabschnitt 23, 24 sind wiederum mit einem ersten Pol (insbesondere Plus-Pol) miteinander verbunden. Der Streifenabschnitt 23 ist mit einem zweiten Pol (beispielsweise Minus-Pol) verbunden. Zum elektrischen Anschluss sind weiterhin Kontaktpads (z. B. Kupfer umfassend) 25, 26, 27 vorgesehen.
Durch ersten Schichtabschnitt 15 und zweiten Schichtabschnitt 16 wird ein erster Heizkreis 36 ausgebildet. Durch dritten Schichtabschnitt 17 und zweiten Schichtabschnitt (gemeinsamen Schichtabschnitt) 16 wird ein zweiter Heizkreis 37 ausgebildet.
Der Streifen 18 weist vorzugsweise keine Unterbrechungen (Trennunterbrechungen) auf.
Der Streifen 18 und/oder der Streifen 19 erstrecken sich vorzugsweise (zumindest im Wesentlichen) senkrecht zu den Schichtabschnitten 15, 16, 17.
Konkret ist ein erstes Ende 28 des ersten Schichtabschnittes 15 mit einem ersten Anschluss 29 (bzw. ersten Pol 29, z. B. Pluspol, insbesondere HV+) verbunden. Analog ist ein erstes Ende 30 des dritten Schichtabschnittes 17 mit dem ersten Anschluss (Pol) 29 verbunden. Ein zweites Ende 31 des ersten Abschnittes 15 sowie ein zweites Ende 32 des dritten Schichtabschnittes 17 sind jeweils (über den Streifen 18) mit einem zweiten Ende 33 des zweiten Schichtabschnittes 16 verbunden. Ein erstes Ende 34 des zweiten Schichtabschnittes 16 ist mit einem zweiten Anschluss 35 (zweiten Pol, z. B. Minus-Pol, insbesondere HV-) verbunden.
In diesem Sinne muss also ein jeweiliger Anschluss (dies gilt hier insbesondere für den Anschluss 29) nicht einstückig bzw. zusammenhängend ausgebildet sein.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als Ausgestaltungen der Erfindung beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind möglich.
Bezugszeichenliste

12: Heizleiterschicht
13: Trennunterbrechung
14: Trennunterbrechung
15: erster Schichtabschnitt
16: zweiter Schichtabschnitt
17: dritter Schichtabschnitt
18: (Verbindungs-)Streifen
19: (Anschluss-)Streifen
20: Anschluss-Trennunterbrechung
21: Anschluss-Trennunterbrechung
22: Streifenabschnitt
23: Streifenabschnitt
24: Streifenabschnitt
25: Kontaktpad
26: Kontaktpad
27: Kontaktpad
28: erstes Ende von 15
29: erster Anschluss
30: erstes Ende von 17
31: zweites Ende von 15
32: zweites Ende von 17
33: zweites Ende von 16
34: erstes Ende von 16
35: zweiter Anschluss
36: erster Heizkreis
37: zweiter Heizkreis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/186106 A1 [0002]

Claims

Elektrische Heizeinrichtung, insbesondere für mobile Anwendungen, mit: einem Substrat und einer auf dem Substrat ausgebildeten Heizleiterschicht (12), wobei die Heizleiterschicht (12) durch zumindest eine erste Trennunterbrechung (13) unterbrochen ist, wobei die erste Trennunterbrechung (13) zumindest einen ersten (15) und einen zweiten (16) Schichtabschnitt der Heizleiterschicht (12) voneinander trennt, wobei der erste Schichtabschnitt (15) an einem ersten Ende (28) mit einem ersten Anschluss (29), beispielsweise Plus-Pol, verbunden ist und der zweite Schichtabschnitt (16) an einem ersten Ende (34) mit einem zweiten Anschluss (35), beispielsweise Minus-Pol, verbunden ist, wobei der erste Schichtabschnitt (15) an einem zweiten Ende (31) mit dem zweiten Schichtabschnitt (16) verbunden ist und über diesen zweiten Schichtabschnitt (16) mit dem zweiten Anschluss (35) verbunden ist.
Elektrische Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterschicht (12) durch zumindest eine zweite Trennunterbrechung unterbrochen ist, wobei die zweite Trennunterbrechung (14) vorzugsweise einen dritten (17) und den zweiten (16) Schichtabschnitt der Heizleiterschicht (12) voneinander Trennt, wobei der dritte Schichtabschnitt (17) vorzugsweise an einem ersten Ende (30) mit dem ersten Anschluss (29), beispielsweise Plus-Pol, verbunden ist.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (15) und zweite (16) Schichtabschnitt zumindest teilweise durch einen ersten separaten Leiter, insbesondere Draht und/oder einen leitenden, insbesondere unstrukturierten, Streifen (18) miteinander verbunden sind.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, durch gekennzeichnet, dass dem ersten (29) und zweiten (35) Anschluss zumindest teilweise ein zweiter separater Leiter, insbesondere Draht und/oder ein leitender, insbesondere gemeinsamer und/oder durch mindestens eine Anschluss-Trennunterbrechung in mindestens zwei voneinander getrennte Streifenabschnitte aufgeteilter, Streifen (19), zugeordnet ist.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (29) und zweite (35) Anschluss auf derselben Seite der Heizleiterschicht (12) angeordnet sind.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Trennunterbrechung (13, 14) zumindest im Wesentlichen gerade verläuft.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterschicht (12) und/oder der erste (15) und/oder der zweite (16) und/oder der dritte (17) Schichtabschnitt derselben zumindest im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet ist/sind.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterschicht (12) zumindest 80 % einer Substratoberfläche bedeckt, bevorzugt zumindest 85 % der Substratoberfläche und/oder in der jeweiligen Trennunterbrechung (13, 14) ein elektrisch isolierendes Material angeordnet ist und/oder auf der Heizleiterschicht (12) zumindest eine weitere Schicht, insbesondere Isolierschicht, ausgebildet ist.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schichtabschnitt (16) breiter ist als der erste (15) und/oder dritte (17) Schichtabschnitt, vorzugsweise mindestens um den Faktor 1,2; weiter vorzugsweise mindestens um den Faktor 1,5.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Heizkreise (36, 37) ausgebildet sind.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Trennunterbrechung (13, 14) die Heizleiterschicht (12) von einer ersten bis zu einer zweiten Seite derselben, insbesondere vollständig, durchläuft.
Elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung eine Kfz-Heizeinrichtung ist.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, umfassend eine elektrische Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Heizeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei mindestens eine Trennunterbrechung (13, 14) durch eine Laserstrukturierung und/oder eine Maskierung mindestens eines Maskierungsabschnittes beim Aufbringen der Heizschicht und/oder einen bei der Herstellung eingebrachten und später wieder entfernten länglichen Körper, insbesondere Draht, hergestellt wird und/oder mindestens ein, vorzugsweise Kupfer umfassender, Anschlussstreifen (19) und/oder mindestens ein, vorzugsweise Kupfer umfassender, Verbindungstreifen (18) thermisch gespritzt werden und/oder mit mindestens einem, vorzugsweise Kupfer umfassenden, Kontaktpad (25, 26, 27) verbunden werden.