DE102019214588A1

DE102019214588A1 - Elektrische Heizvorrichtung für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102019214588A1
Application number: DE102019214588.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bernhardt; Frank Baur; Andreas Schiessl; Michael Decker
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2021-03-25
Also published as: WO2021058505A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung für ein Fahrzeug die ein Gehäuse (1) mit einem Zufluss- und einem Abflussanschluss (2) für ein Kühlmittel, und ein Heizelement (3), das mit einer metallischen Grundplatte (4) gebildet ist, auf der eine isolierende Schicht (5) aufgebracht ist, auf der Heizleitungen (6) durch Strukturierung einer Kupferkaschierung ausgebildet sind, wobei die metallische Grundplatte (4) des Heizelements (3) mit einer Wand des Gehäuses (1) verbunden ist, aufweist.

Description

Elektrische Heizvorrichtungen kommen in Kraftfahrzeugen zum Beispiel als Zusatzheizer zum Einsatz, um die Beheizung des Kraftfahrzeuginnenraums und anderer Komponenten, die primär durch die Abwärme des Motors erfolgt, zu ergänzen, oder zum Beispiel auch ein Heizen im Stillstand des Fahrzeugs zu ermöglichen. Von besonderer Bedeutung sind elektrische Heizvorrichtungen bei Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb, bei denen die Antriebseinheit des Kraftfahrzeugs keine oder keine ausreichende Abwärme zur Erwärmung oder Klimatisierung des Fahrzeugs abgibt. Es ist von Vorteil, wenn sich eine Heizvorrichtung für Elektro- oder Hybridfahrzeuge zudem dazu eignet, neben der Versorgung des Innenraums des Kraftfahrzeugs mit der erforderlichen Heizwärme auch die für die ablaufenden Prozesse in einzelnen Anlagenteilen des Kraftfahrzeugs erforderliche oder zumindest diese fördernde Wärme bereitzustellen, wie zum Beispiel zur Vorwärmung des Fahrzeugakkumulators.
DE 10 2011 057 105 A1 offenbart ein elektrisches Heizelement, das einen Wärmetauscher aufweist, der zur Wärmeübertragung auf ein zu erwärmendes Medium ausgebildet ist. Der Wärmetauscher weist eine Oberfläche auf, die zur Wärmeübertragung unmittelbar mit dem zu erwärmenden Medium in Verbindung steht. Dort ist die Oberfläche des Wärmetauschers beispielhaft mit einer Mehrzahl von Rippen bzw. Vorsprüngen versehen, um einen verbesserten Wärmeübergang auf das zu erwärmende Medium zu erzielen. Der Wärmetauscher ist aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet und kann insbesondere aus Metall, wie insbesondere Aluminium, Kupfer, einer Aluminiumlegierung oder einer Kupferlegierung gebildet sein. Der Wärmetauscher ist dazu ausgebildet, Wärme auf ein Fluid als ein zu erwärmendes Medium zu übertragen. Das zu erwärmende Medium kann dabei insbesondere Luft oder eine Flüssigkeit in einem Flüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs, insbesondere Kühlflüssigkeit sein. Dieser Wärmetauscher bildet gleichzeitig ein Substrat, auf dessen Rückseite mittels einer Beschichtungstechnik eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht ist, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die elektrisch isolierende Schicht kann insbesondere aus Al₂O₃ gebildet sein und kann mittels eines Spritzverfahrens, insbesondere mittels thermischen Spritzens, aufgebracht sein. Auf der von dem Wärmetauscher abgewandten Seite der elektrisch isolierenden Schicht ist mittels einer Beschichtungstechnik eine elektrisch leitende Widerstandsschicht aufgebracht, die als eine oder mehrere Leiterbahnen strukturiert ist. Die elektrisch leitende Widerstandsschicht ist derart ausgestaltet, dass an diese eine elektrische Spannung anlegbar ist, um elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Die elektrisch leitende Widerstandsschicht kann z.B. durch ein Spritzverfahren aufgebracht sein. Die von dem Wärmetauscher abgewandte Seite der elektrisch leitenden Widerstandsschicht ist wiederum mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen, die ebenfalls mittels einer Beschichtungstechnik aufgebracht ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann aus demselben Material wie die elektrisch isolierende Schicht ausgebildet sein, insbesondere aus Al₂O₃.
Das elektrische Heizelement kann hier z.B. mittels eines Verfahrens hergestellt sein, wie es in der EP 1 459 332 B1 beschrieben ist. Dort ist ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch leitenden Widerstandsschicht offenbart, bei dem ein elektrisch leitendes Material mittels thermischem Spritzen, Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, Lichtbogenspritzen, Autogenspritzen, Laserspritzen oder Kaltgasspritzen auf einen nicht leitenden Untergrund aufgebracht wird, wobei das elektrisch leitende Material flächig derart aufgebracht wird, dass eine hieraus entstandene Materialschicht zunächst im Wesentlichen noch keine gewünschte Form aufweist, und danach die Materialschicht bereichsweise derart entfernt wird, dass eine elektrisch leitende Widerstandsschicht entsteht, welche im Wesentlichen die gewünschte Form hat, wobei der örtliche elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Widerstandsschicht durch eine lokale Wärmebehandlung eingestellt wird, indem lokal Oxide in die Schicht eingetragen-werden. Das bereichsweise Entfernen der Materialschicht kann mittels Laserstrahlung, eines Wasserstrahls oder eines Pulver-Sandstrahls erfolgen, so dass die elektrisch leitende Widerstandsschicht wenigstens bereichsweise insbesondere mäanderförmig ist.
Solche Spritzverfahren sind jedoch sehr aufwändig, da bis zu 6 Schichten nacheinander durch verschiedene thermische Sprühverfahren aufgebracht werden müssen. Außerdem werden die Leiterbahnen durch ein Laserstrukturierverfahren zeitaufwändig erzeugt. Müssen noch Bauteile aufgebracht werden, muss die gesamte Heizvorrichtung durch den Lötprozess.
In der DE 203 19 024 U1 ist ein Flächenheizelement offenbart, das als Widerstandsheizung mit einem mehrschichtigen Aufbau ausgeführt ist, und welches zugeführte elektrische Energie in Wärmeenergie umwandelt und diese an ein Trägermaterial des Flächenheizelementes abgibt. Das Trägermaterial weist eine ebene, gekrümmte oder eine mehrdimensional geformte Oberfläche auf, wobei ein wärmeerzeugender elektrischer Leiter auf das zu erwärmende Trägermaterial mittels Siebdruckverfahren aufgetragen ist. Über dem elektrischen Leiter ist eine Isolierschicht auf Kunststoffbasis mittels Siebdruckverfahren oder durch Aufsprühen oder durch Aufwalzen aufgetragen und die Isolierschicht ist bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet. Das Trägermaterial kann aus einem elektrisch isolierenden Material, wie etwa Kunststoff, Metalloxid, Metallnitrit oder aus einem elektrisch leitenden Träger, auf welchen in einem vorangegangenen Fertigungsschritt ein elektrisch isolierender Überzug, beispielsweise aus Email oder Glas aufgebracht wurde, bestehen. Es kann aber auch aus einem elektrisch leitenden Material, wie etwa Aluminium, Kupfer oder Stahl bestehen, wobei zwischen dem Trägermaterial und dem wärmeerzeugenden elektrischen Leiter eine Isolierschicht auf Kunststoffbasis auf dem Trägermaterial aufgebracht ist, welche bei Temperaturen von maximal 300 °C getrocknet und ausgehärtet wurde. Der wärmeerzeugende elektrische Leiter kann eine leitfähige Paste aus einem Carbonleitlack sein, welcher einen Festkörpergehalt von mehr als 60% aufweist und neben Kohlenstaub auch Graphit mit einer Korngröße von bevorzugt 5 bis 7 µm enthält. Die Isolierschicht kann aus Lötstopplack oder aus Elektroisolationslack oder aus Tränklack für elektrische und/oder elektronische Bauelemente bestehen. Der wärmeerzeugende elektrische Leiter kann vollflächig oder als Leiterbahnstruktur beliebiger Geometrie ausgebildet sein.
Auch hier werden aufwändige Siebdruck-, Aufsprüh- oder Aufwalzverfahren angewandt, wobei eine nähere Verwendung des Heizelements nicht beschrieben ist. Lediglich in Verbindung mit dem dort diskutierten Stand der Technik ist die Verwendung bei Cerankochfeldern oder für einen beheizbaren Außenspiegel eines Kraftfahrzeugs genannt.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Heizelement anzugeben, dass einfacher und kostengünstiger herzustellen ist.
Die Aufgabe wird durch ein elektrisches Heizelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach weist eine erfindungsgemäße elektrische Heizvorrichtung für ein Fahrzeug ein Gehäuse mit einem Zufluss- und einem Abflussanschluss für ein Kühlmittel, und ein Heizelement, das mit einer metallischen Grundplatte gebildet ist, auf der eine isolierende Schicht aufgebracht ist, auf der Heizleitungen durch Strukturierung einer Kupferkaschierung ausgebildet sind, auf. Die metallische Grundplatte des Heizelements ist dabei mit einer Wand des Gehäuses verbunden.
Statt dem Aufsprühen der Heizleitungen wird hier in vorteilhafter Weise ein isoliertes Metallsubstrat (insulated metal substrate) als Trägermaterial verwendet, bei dem die Heizleitungen auf der isolierenden Schicht in einem Leiterplattenherstellungsverfahren erzeugt werden und daher sehr flexibel und schnell modifiziert werden können. Die Kupferkaschierung kann dabei in einfacher Weise durch Ätzen strukturiert werden. Dies ist erheblich kostengünstiger und flexibler als thermisches Sprühen.
Durch den Aufbau der elektrischen Heizvorrichtung hat die Unterseite des isolierten Metallsubstrats guten Kontakt mit dem Kühlmedium. Durch die guten thermischen Eigenschaften des isolierten Metallsubstrats und dem guten Kontakt zum Kühlmedium ist ein sehr hoher Wirkungsgrad möglich. Durch den guten thermischen Aufbau sind hohe elektrische Leistungen bei geringem Platzbedarf möglich.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Heizvorrichtung weist die Wand des Gehäuses, mit der die metallische Grundplatte des Heizelements verbunden ist, eine Öffnung auf, die durch die metallische Grundplatte verschlossen wird.
Hierdurch ist ein direkter Kontakt der metallischen Grundplatte mit dem zu heizenden Kühlmedium möglich.
In einer Ausbildung ist die Verbindung der metallischen Grundplatte mit der Gehäusewand eine Schraubverbindung, wobei zwischen der metallischen Grundplatte und dem Rand der Öffnung eine Dichtung angeordnet ist.
Dies ist eine einfache und leicht modifizierbare Art der Anordnung des Heizelements auf dem Gehäuse.
In einer alternativen Anordnung ist die metallische Grundplatte des Heizelements auf der Wand des Gehäuses angeordnet, wobei der Rand der metallischen Grundplatte mit der Gehäusewand verschweißt sein kann.
Hierdurch können bei trotzdem gutem Kontakt der Grundplatte des Heizelements mit dem Kühlmedium Dichtigkeitsprobleme vermieden werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe einer Figur näher beschrieben werden.

Die 1 zeigt dabei ein Gehäuse 1 mit einem Kühlmittelanschluss, der ein Zufluss- oder ein Abflussanschluss 2 für das Kühlmittel sein kann, wobei nur einer schematisch dargestellt ist. Das Gehäuses 1 kann beispielsweise das Gehäuse eines Fahrzeugkühlers sein, wobei das Kühlmittel jedoch auch erwärmt werden können soll, um beispielsweise einen Fahrgastinnenraum eines Fahrzeugs zu erwärmen oder in der kalten Jahreszeit die Fahrzeugbatterie beispielsweise eines Elektrofahrzeugs vorzuwärmen.

Auf dem Gehäuse 1 ist ein Heizelement 3 angeordnet, das mit einer Grundplatte 4 aus Metall, vorzugsweise Aluminium, einer darauf ausgebildeten elektrisch isolierenden Schicht 5 und darauf ausgebildeten Heizleitern 6 gebildet ist. Die Heizleiter 6 sind dabei durch Strukturieren einer Kupferkaschierung beispielsweise mittels Ätzen erzeugt worden und können in vorteilhafter Weise eine Mäanderform haben.
Dieser Aufbau und die Herstellungsweise des Heizelements 3 wird als isoliertes Metallsubtrat (engl. insulated metal substrate) bezeichnet und lässt sich in einfacher und kostengünstiger Weise mit einem Leiterplattenherstellverfahren realisieren.
Die metallische Grundplatte 4 kann in der schematischen Darstellung der 1 eine Wand des Gehäuses 1 sein, wodurch ein direkter Kontakt mit dem Kühlmedium zustande kommt, sie kann jedoch auch auf einer Wand des Gehäuses 1 beispielsweise mittels Schweißen befestigt sein, wodurch auch hierdurch ein guter wärmeleitender Kontakt realisiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011057105 A1 [0002]
EP 1459332 B1 [0003]
DE 20319024 U1 [0005]

Claims

Elektrische Heizvorrichtung für ein Fahrzeug, die aufweist: ein Gehäuse (1) mit einem Zufluss- und einem Abflussanschluss (2) für ein Kühlmittel, und ein Heizelement (3), das mit einer metallischen Grundplatte (4) gebildet ist, auf der eine isolierende Schicht (5) aufgebracht ist, auf der Heizleitungen (6) durch Strukturierung einer Kupferkaschierung ausgebildet sind, wobei die metallische Grundplatte (4) des Heizelements (3) mit einer Wand des Gehäuses (1) verbunden ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wand des Gehäuses (1), mit der die metallische Grundplatte (4) des Heizelements (3) verbunden ist, eine Öffnung aufweist, die durch die metallische Grundplatte (4) verschlossen wird.
Heizvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Verbindung der metallischen Grundplatte (4) mit der Gehäusewand eine Schraubverbindung ist, und wobei zwischen der metallischen Grundplatte (4) und dem Rand der Öffnung eine Dichtung angeordnet ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die metallische Grundplatte (4) des Heizelements auf der Wand des Gehäuses (1) angeordnet ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Rand der metallischen Grundplatte (4) mit der Gehäusewand verschweißt ist.